【计算机网络系列】物理层②：信道复用技术（频分复用、时分复用、波分复用及码分复用）-Toy模板网

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本文主要介绍物理层中的信道复用技术，包括频分复用、时分复用、波分复用及码分复用技术，以及简单谈谈数字传输系统和几种宽带接入技术。

信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。下面对信道复用技术进行简单的介绍。

下图表示A，B和C分别使用一个单独的信道与A2，B2和C2进行通信，总共需要3个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以用一个共享信道传送原来的3路信号。在接收端使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。下图(b)是复用的示意图。当然，复用要付出一定代价（共享信道由于带宽较大，因而费用也较高，再加上复用器和分用器)。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。
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频分复用、时分复用和统计时分复用

最基本的复用就是频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)。

频分复用的概念是这样的。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。例如，有N路信号要在一个信道中传送。可以使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰，如下图(a)所示。各路信号就在自己所分配到的信道中传送。可见频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧）。每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。为简单起见，在下图(b)中只画出了4路信号A，B，C和D。每路信号所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度)。因此TDM信号也称为等时信号。可以看出，时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用更有利于数字信号的传输。

这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。
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使用FDM或TDM的复用技术，可以让多个用户（可以处在不同地点）共享信道资源。例如：

在上图(a)中的频分信道，可让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。这种方式称为频分多址接入FDMA(Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。
在上图(b)中的时分信道，则可让4个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这4个时隙。这种方式称为时分多址接入TDMA(Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。

在进行通信时，复用器(multiplexer) 总是和分用器(demultiplexer) 成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。
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这里假定有4个用户A，B，C和D进行时分复用。复用器按A→B→C→D的顺序依次对用户的时隙进行扫描，然后构成一个个时分复用帧。图中共画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。请注意，在时分复用帧中，每一个用户所分配到的时隙长度缩短了，在本例中，只有原来的1/4。可以看出，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高。

统计时分复用STDM(Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将其数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

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统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。可以看出，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此，统计时分复用可以提高线路的利用率。

波分复用

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。现在人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就可使光纤的传输能力成倍地提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就产生了波分复用这一名词。

最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用WDM。随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多。现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)这一名词。例如，每一路的数据率是40 Gbit/s，使用DWDM后，如果在一根光纤上复用64路，就能够获得2.56 Tbit/s的数据率。下图给出了波分复用的概念。
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码分复用

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

码分复用最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA设备的价格大幅度下降，体积大幅度缩小，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。下面简述其工作原理。

在CDMA 中，每一个比特时间再划分为 $m$ 个短的间隔，称为码片(chip)。通常 $m$ 的值是64或128。
使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的 $m$ bit码片序列(chip sequence)。

一个站如果要发送比特1，则发送它自己的 $m$ bit码片序列。
如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0记为-1，将1记为+1。因此S站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。

现假定S站要发送信息的数据率为 $b$ bit/s。由于每一个比特要转换成 $m$ 个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到 $m b$ bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 $m$ 倍。这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。扩频通信通常有两大类。

直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)

CDMA 系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

用数学公式可以很清楚地表示码片序列的这种正交关系。令向量 $S$ 表示站 $S$ 的码片向量，再令 $T$ 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 $S$ 和 $T$ 的规格化内积(inner product)都是0：
$\boldsymbol{S} \bullet \boldsymbol{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^m S_i T_i=0$
不仅如此，向量 $S$ 和各站码片反码的向量的内积也是0。另外一点也很重要，即任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1：
$\boldsymbol{S} \bullet \boldsymbol{S}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^m S_i S_i=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^m S_i^2=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^m(\pm 1)^2=1$
而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。这从上式可以很清楚地看出，因为求和的各项都变成了-1。

总结一下正交关系：

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1；
任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1；
两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0。

现在假定在一个CDMA系统中有很多站都在相互通信，每一个站所发送的是数据比特和本站的码片序列的乘积，因而是本站的码片序列（相当于发送比特1）和该码片序列的二进制反码（相当于发送比特0）的组合序列，或什么也不发送（相当于没有数据发送）。我们还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。利用全球定位系统GPS就不难做到这点。

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的公式，再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系)，那么求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0)，而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1，当S站发送比特0时，内积的结果是-1。
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数字传输系统

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话
由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。

E1 的速率是2.048 Mb/s
T1 的速率是1.544 Mb/s。

当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

宽带接入技术

ADSL技术

非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL技术把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。由于用户当时上网主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不太大，因此 ADSL 的下行带宽都远远大于上行带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。
【计算机网络系列】物理层②：信道复用技术（频分复用、时分复用、波分复用及码分复用）

ADSL技术就把0~4 kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网（HFC网，HFC是 Hybrid Fiber Coax的缩写）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但以后有线电视网进行了改造，变成了现在的光纤同轴混合网(HFC网)。

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤（如下图所示)。光纤从头端连接到光纤节点(fiber node)。在光纤节点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。从头端到用户家庭所需的放大器数目也就减少到仅4~5个。连接到一个光纤节点的典型用户数是500左右，但不超过2000。
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