3.3 多路复用技术

在整个通信基础设施的投资成本中由传输媒介所组成的通信线路占有相当大的比重，对于有线的传输媒介来说一方面由于资源有限，制造成本增加，即使是采用了原料丰富的光纤线路，但是线路铺设的费用也是在逐年增长，另一方面对于无线传输媒介来说，有限的传输频率更是一种非常宝贵的通信资源。因此如何提高通信线路的利用率是数据通信中一个不可忽视的内容。这就是我们下面介绍的多路复用技术。多路复用技术是指在一条通信线路上传输多路信号，以提高通信线路利用率的技术。在实际应用中我们经常用到的多路复用技术有时分复用、频分复用、码分复用、波分复用。

3.3.1 多路复用技术（一）

一、频分复用

在实际生活中我们可以看到多辆汽车在不同的车道并行的在马路上行驶，这就相当于我们要说的第一种复用技术----频分复用技术，任何一路用户的信号一般只占据一个宽带有限的频率范围，而在实际应用中，一个信道可以被利用的频率的范围比一路信号要宽的多，如果在这样的信道上只传输一路信号的话就会像在宽阔的马路上只有一个车道一样显然太浪费，当传输信道的带宽较大，而所传输的信号只需部分带宽就可实现有效传送，则可以在信道中同时传输多路信号，每路信号占用部分带宽。因此我们可以以频率分割的方式把一条信道分割成若干个子信道，从而实现多路复用，这就是频分复用的基本原理，每个子信道占用不同的频率范围。采用调制技术，将信号搬移到信道相应的频段上。传统的多路载波电话系统就是一种典型的频分多路复用系统。如图我们看到横坐标是时间，纵坐标是频率，该信道按照频率的不同被分割成了四个子信道，为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，相邻子信道的频谱之间留有一定的频率间隔，每个子信道传输一路用户的信号，从图中看在这个信道中同时传输四个用户的信号，信道左侧的设备是一个复用器，右侧对应的是一个分用器。复用器的作用就是把各路的信号进行提谱搬移，搬移到分配给他的频段范围。分用器相当于一个滤波器，把各路信号区别开来。因此我们要再次强调频分复用的所有用户在同样的时间内占用着不同的带宽资源，需要注意的是这里的贷款是指以赫兹为单位的带宽。目前频分复用技术在利用无线传输介质的无线电通信、微波通信、卫星通信中仍然在得到广泛的应用。在好后面要介绍的波分复用，究其本质而言也是一种频分复用。

二、时分复用

时分复用是采用时间分片的方式来实现传输信道的多路复用，即每一路信号传输都使用信道的全部带宽，但只能使用其中某个时隙。如我们把正在上课的教室看做是一个信道，不同的老师在每天不同的时间段使用这间教室，就相当于是时分复用，因为从宏观上看同一天这间教室被分配给了多个用户使用，从微观上看在某一时刻该教室还只是分配给了一个老师。从如何分配传输介质资源的观点来看，时分多路复用又可以分为两种：静态的时分复用和动态的时分复用。

静态时分复用，如图将时间划分为一个个等长的周期，称为为时分复用帧，有四个用户进行时分复用，在第一个周期里有AB两个用户有数据发送，第二个周期里BC两个用户有数据发送，第三个周期中只有C用户有数据发送，第四个周期AD两个用户有数据发送，每一个时分复用的用户在每一个帧中的位置是固定不变的，A用户的数据固定的出现在时分复用帧的最前面，B总是在第二个位置，C在第三个位置，D用户则是在最后，我们也注意到如果在某用户在分给他的时隙内没有数据要传输的话，对应的时隙就是空闲的，如第一个周期中的C和D，第二个周期的A和D，也就是说每个用户的数据是周期性的出现在信道上，但需要我们注意的是尽管该时隙没有用户使用信道，其他用户也是无权使用的。从这里我们也可以看出静态的时分复用中多个用户的信号分别在预定的时隙内传输，他们的分配关系是固定的并且是周期性的使用，收发双方之间保持同步，因此又被成为同步的时分复用。同时我们也要看到这种时分复用存在着复用后的信道利用率较低的缺点。
动态时分复用，为了提高静态时分复用信道利用率，就产生了动态时分复用的技术，动态时分复用又被成为统计时分复用简称为STDM，或者被称为异步时分复用，它是一种按需分配媒体资源的方式，也就是说只有当用户有数据要传输的时候才分配资源，如果用户暂停发送数据的话就不分配资源，如此以来同样的复用信道可以让更多的用户来使用换句话说就是用户数据传输速率之和可以大于高速线路传输容量从而提高信道利用率。但对于这样一种方式他的控制结构相对比较复杂且需要在复用器中设置足够容量的缓存单元否则会导致数据发送不及时造成数据丢失，同时还要使用流量控制技术来保证数据的正确传送。

3.3.2 多路复用技术（二）

三、码分复用

码分复用又称为码分多址复用简称为CDMA，是蜂窝移动通信中迅速发展起来的一种信号处理方式，CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，在第二次世界大战期间因战争需要而研发出的技术，该技术最初的想法是防止敌方对己方通信的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰的通信后来由美国高通公司更新成为商用技术，在CDMA技术中允许所有的站点同时在整个的频带上进行传输，也就是说每个用户可以在同一时间内使用同样的频带进行通信，那么我们需要理解的是，这些信号彼此之间是如何进行区分的呢？实际上它是采用按照码片序列来划分信道的方法来区分每个用户的数据的。

码片，每一个用户被指派一个惟一的m bit的码片序列，这个用户你可以理解成一部手机

如果他要发送比特1，则发送自己的m bit 码片序列。
如果他要发送比特0，则发送该码片序列二进制反码。

对于每个用户来说单位时间发送的数据是原来的m倍，所以它占用的频带宽度也提高到了原来的m倍，也就是采用了或频技术，这与我们之前学习信道容量时的香农公式

香农公式：信道的极限信息传输速率C（信道容量）可表达为
C = W log ⁡ 2 ( 1 + S / N ) b / s C=W\log_2^{(1+S/N)} b/s C=Wlog2(1+S/N)b/s
```
W为信道的带宽（以Hz为单位）；S/N为信道内信号和噪声的功率之比；
```
如果我们要保持信道容量C不变的情况下，在带宽B提高到了原来的m倍的情况下，信道比S/N是可以降低，也就是说可以降低信号的发送功率，这也解释了为什么CDMA具有隐蔽性并且早期会用于军事中。

例题：S站的8bit码片序列是00011011。

发送比特1时，就发送序列00011011
发送比特0时，就发送序列11100100
同时我们从向量的角度可以把S站的码片序列表示为（-1-1-1+1+1-1+1+1），之所以要这样表示，就是为了向大家说明，每个站被分配到的码片序列并非随便分配的，而是经过严密的计算得到的。这是因为不同的站被分配的码片序列是成正交（任意两个站的码片向量对应位相乘再相加的代数和为零）的关系
S ⋅ T ≡ 1 m ∑ 1 m S i T i = 0 S \cdot T ≡ \frac{1}{m}\sum_1^mS_iT_i =0 S⋅T≡m11∑mSiTi=0
向量S为（-1-1-1+1+1-1+1+1），向量T为（-1-1+1-1+1+1+1-1），把向量S和T的各分量值对应位相乘再相加代数和为0，就可以看出这两个码片序列是正相交的。那我们为什么要这样分配码片序列呢？我们通过谢希仁老师的计算机网络中的一个例子来进一步说明CDMA的原理，如图
假如你周围有两个手机用户S站和T站都要发送数据110，那我们可以看出每个站在发送码片1的时候都是发送自己的码片序列，发送码片0的时候都是发送自己的码片序列反码，因为所有的用户都使用相同的频率发送，如此以来作为第三方的你会同时收到两个用户发送信号的叠加，也就是图中发送端最下方的 S X + T X S_X + T_X SX+TX，而当你打算接收S站发送的信号的时候就用S站的码片序列与收到的信号对应位相乘再相加再除以m，也就是求规格化的内积就会得到原始的发送数据110，同时因为不同站的码片关系又是成正交的关系所以 S ⋅ T X S\cdot T_X S⋅TX后对应位相乘再相加的和为零，也就是说当你只想接收S站发送的信号的时候，尽管你会收到同一个频段内所有的信号的叠加但是对于其他用户的信号不会对你产生影响，这就类似于很多人共同使用一个大会议室一样，两两之间都在交谈，但是因为每个人分到的是不同的码片序列，相当于每个人使用不同的语言，所以你仍然可以清楚的听到你的同伴在说什么，其他人的发言对你不会有太大的影响。

四、波分复用

由于网民的数量越来越多，人们对网络的需求和依赖也是越来越高，对于运营商来说也迫切的需要大量的网络容量来满足顾客日益增长的服务需求，波分复用技术也就应运而生，波分复用是在光纤成缆的基础上实现的大容量传输技术，它的本质是一种光的频分复用，因为所用的频率比较高，习惯上就用光的波长来表示，因此名字就变成了波分复用。采用波分复用技术就是在一根光纤上使用不同的波长来传输多路光信号，波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容量，满足通信需求量的迅速增长，和多媒体通信，如图
单根光纤可以传送8种波长，每一波长如果速率是2.5Gb/s，那就能构成20Gb/s的传输系统，在发送端经过复用器汇聚在一起耦合到光纤中同一根线路中进行传输的技术，在接收端通过解复用器将各种波长的光载波分离，再由光接收机做进一步的处理，以恢复出原始的信号。密集波分复用经常被用来描述支持巨大数量信道的系统，“密集”没有明确的定义，如单根光纤可以传输160个以上的波长，可以最大限度的利用光纤传输的带宽，这是密集波分复用技术（WDM）的优点，所以说密集波分复用技术的出现更是极大的推动了计算机网络和因特网的发展。

以上就是我们学习到的多路服用技术，这里我们需要掌握多路复用技术的概念，重点理解时分复用技术、码分复用技术的工作原理，下一节我们介绍数据交换技术。