计算机网络：物理层 —— 信道复用技术

信道

信道是指信息传输的通道或介质。在通信中，信道扮演着传输信息的媒介的角色，将发送方发送的信号传递给接收方。

信道可以是无线信道，如空中传输的无线电波或红外线信号，也可以是有线信道，如同轴电缆、光纤等，或者是通过这些介质定义的一条逻辑连接。

根据传输方式的不同，信道可以分为以下几种类型：

• 有线信道：使用物理导体作为传输媒介，如双绞线、同轴电缆和光纤。这类信道通常提供更高的数据传输速率和更低的干扰。

• 无线信道：使用电磁波作为传输媒介，如Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络等。无线信道不需要物理连接，但可能受到环境因素的影响，如障碍物、噪声等。

前置阅读：计算机网络：物理层 —— 信道及其极限容量

信道容量是一个信道能够以多快的速率传输信息的最大限制，即信道的极限信息传输速率。它表示了在给定的传输条件下，信道可以可靠地传输的最大数据速率。每个信道都有其极限容量。

信道复用技术

复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号

当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。

信道复用技术的作用

信道复用技术（Channel Multiplexing）在计算机网络中非常重要，它使得多个信号可以在同一个物理信道上传输，从而提高了网络资源的利用率。信道复用技术的主要作用有：

1. 提高带宽利用率： 在有限的带宽资源条件下，通过信道复用技术可以让多个用户共享同一物理信道，从而更高效地利用可用的带宽资源。这样可以避免单一信道只服务于单个用户的情况，减少资源浪费。

2. 支持并发通信： 许多现代网络应用和服务需要同时支持多个并发连接。例如，Web 服务器需要同时处理来自不同用户的多个请求。信道复用技术使得一个服务器能够同时与多个客户端通信成为可能。

3. 减少网络拥堵： 如果没有使用信道复用技术，每一个通信都需要单独的物理连接，这不仅成本高昂，而且容易导致网络拥堵。通过复用，多个信号可以在一条物理链路上进行传输，减少了网络中的物理连接数量，从而减少了网络拥塞的可能性。

4. 简化网络管理： 使用信道复用技术可以简化网络设备的管理和配置。例如，路由器和交换机只需要管理较少的物理接口，而不是大量的单独连接。

5. 支持多种服务类型： 不同的应用程序和服务可能有不同的服务质量要求（如延迟、带宽、可靠性等）。信道复用技术可以通过优先级分配等方式支持不同的服务类型，确保关键应用获得足够的带宽和质量保证。

基本原理

使用复用技术，要在发送端使用一个复用器，让多个用户通过复用器使用一个大容量共享信道进行通信，在接收端使用一个分用器，将共享信道中传输的信息分别发送给相应的用户。

尽管实现信道复用会增加通信成本(需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道)，但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。

常用的信道复用技术

频分复用 FDM

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）通过将不同信号分配到不同的频率带宽上（传送媒体的总频带划分为多个子频带），实现了信号的同时传输和共享通信媒介的目的。

在频分复用中，不同的信号被调制到不同的频率上，然后通过共享同一条物理传输媒介（如电缆或光纤）进行传输。每个信号使用的频率带宽应足够宽以容纳信号的频率范围，且彼此不重叠。接收端根据预先确定的频率范围来解调不同的信号，以恢复原始数据。

频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源发送数据

频分复用可广泛用于各种通信系统，如无线通信、有线通信和卫星通信等。它使得多个信号可以同时传输，提高了通信系统的资源利用率和传输效率。

频分复用也有一些限制：

• 需要预先规划和分配各个信号的频率带宽，以避免不同信号之间的干扰（每个频带之间设置隔离频带）。

• 其次，各个信号之间的带宽需要平衡，以确保资源的充分利用和避免浪费。

时分复用 TDM

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）通过按照时间片段划分，将不同信号以轮流的方式共享同一个通信媒介进行传输。

在时分复用中，每个信号被分配给特定的时间段，称为时间片或时隙。每个信号在其对应的时间片中进行传输，按照预定的顺序依次进行。接收端按照相同的时间序列来解调和还原各个信号。

每个时分复用的用户，在其相应时隙内独占传输媒体的资源进行通信。时分复用的各用户所对应的时隙就构成了时分复用帧（TDM 帧）。用户占用的时隙是周期性的，其周期为 TDM帧 的长度

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带

TDM帧 实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层对等实体间逻辑通信的“帧”，是完全不同的概念。

时分复用可用于各种通信系统，如电话网络、数字传输系统等。它允许多个信号共享同一条物理传输媒介，提高了信道的利用效率和传输容量。

时分复用的主要优点是每个信号在不同的时间片中进行传输，避免了频率上的冲突和干扰。它还具有灵活性，可以将不同数据流按照需要进行动态分配。另外，时分复用也相对简单实现，对设备的要求较低。

时分复用也有一些限制：

• 各个信号需要保持同步，以确保在正确的时间片进行传输和接收。

• 各个信号的带宽需要平衡，以避免某些信号占据过多的时间片而导致资源浪费。

波分复用 WDM

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）实际上为光的频分复用 FDM。通过将不同信号调制到不同的光波长上，实现了信号的同时传输和共享光纤通信媒介的目的。

在波分复用中，不同的信号使用不同的光波长来传输。每个信号使用的光波长应该是独立的且不重叠的，典型的光波长范围是纳米级（nm）。可在一根光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。

目前可以在一根光纤上复用 80 路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为 密集波分复用DWDM

在发送端，每个信号经过调制器被分配一个特定的光波长，然后通过光纤传输到接收端。在接收端，通过光解复用器将不同光波长的信号分离出来，然后进行相应的解调和处理。

波分复用广泛应用于光纤通信系统，包括长距离光纤传输、数据中心互连和光网络等领域。它通过在不同光波长上传输不同信号，实现了高密度、高速率、低延迟的数据传输。

铺设光缆的工程耗资巨大，应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。例如，在一根光缆中放入 100 根速率为 $2.5Gb/s$ 的光纤，对每根光纤采用40倍的密集波分复用，则这根光缆的总数据速率为 $(2.5Gb/s\times 40)\times 100=10000Gb/s=10Tb/s$。

波分复用使得多个信号能够同时传输，提高了通信系统的资源利用率和传输效率。同时，由于光波长的特性，光信号在光纤中传输的损耗较小，抗干扰能力较强。

波分复用也有一些限制：

• 光波长的分配需要合理规划，以避免光波长的重叠和冲突。

• 光纤本身的特性和光学器件的性能也会对波分复用系统的性能产生影响。

码分复用 CDM

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。通过在发送端将不同信号编码为不同的伪随机码序列，然后在接收端使用相同的伪随机码序列来解码和分离各个信号。它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。

与 FDM 和 TDM 不同，CDMA 的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信

在码分复用中，每个信号被调制为不同的伪随机码序列，称为扩频码或扩频信号。即每个比特时间划分为 m 个更短的时间片，称为码片（Chip）单起见。每个信号使用的扩频码应该是独立的且不重叠的。然后，多个信号通过共享相同的频率带宽进行传输。

CDMA 中的每个站点都被指派一个唯一的 m 比特码片序列(ChipSequence)：

• 某个站要发送比特 1，则发送它自己的 m 比特码片序列

• 某个站要发送比特 0，则发送它自己的 m 比特码片序列的反码

码片向量

将码片序列中的比特 0 记为 -1，而比特 1 记为 +1，可写出码片序列相应的码片向量。

• 不同信号之间的扩频码需要保持独立性和互不干扰。

• 需要合理规划扩频码的带宽，以避免资源的浪费和干扰的影响。

• 如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：

  • 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。

  • 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为 0：$$A\cdot B=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i{B}_i$$

  • 向量 A 表示站 A 的码片向量，向量 B 表示站 B 的码片向量。两个不同站 A 和 B 的码片序列相互正交，就是向量 A 与向量 B 的规格化内积为0

    

  • 任何站的码片向量与其他各站码片反码的向量的规格化内积为 0$$A\cdot \overline{B}=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i{\overline{B}}_i=-\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i{B}_i=-0=0$$

  • 任何站的码片向量与该站自身码片向量的规格化内积为 1$$A\cdot A=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i{A}_i=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i^2=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m(\pm 1{)}^2=1$$

  • 任何站的码片向量与该站自身码片反码的向量的规格化内积为 -1 $$A\cdot \overline{A}=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i{\overline{A}}_i=-\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{A}_i{A}_i=-1$$

基本原理

在发送端，每个信号经过扩频码和原始信号的点乘运算，生成扩频信号。然后这些扩频信号经过叠加形成复合信号，通过共享同一条物理传输媒介进行传输。在接收端，使用相同的扩频码进行解码和分离各个信号，恢复原始数据。

基站发送比特位 1 或 0 时，各用户用自己的码片向量与收到的叠加后的码片向量，做规格化内积运算：

• 运算结果为 1，表明收到的结果为比特 1

• 运算结果为 -1，表明收到的结果为比特 0

• 运算结果为 0，表明未收到信息

基站发送比特串时，用户收到基站发来的叠加后的信号，就用自己的码片向量与收到的着加后的码片向量，做规格化内积运算:

得到基站给用户发送的相应的比特串，若运算结果为 0，则表示基站未发送数据