计算机网络(2.8)物理层- 信道复用技术

2.8.1、频分复用、时分复用和统计时分复用 

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。 它允许用户使用一个共享信道进行通信,降低成本,提高利用率。

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频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing) 

 将整个带宽分为多份,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。频分复用的所有用户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TDM (Time Division Multiplexing) 

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。

TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。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。

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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,用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

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统计时分复用STDM (Statistic TDM)

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2.8.2、波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)  

也就是光的频分复用,借用传统载波电话的频分复用概念,在一根光纤传输多路频率接近的光载波信号。习惯上用波长表示所使用的光载波信号,所以就称为波分复用了。最初只能采用两路光载波信号的复用(1310nm和1550nm),也就是稀疏波分复用器CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexer ),也称粗波分复用器。现已经出现了密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)。

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2.8.3、码分复用CDM (Code Division Multiplexing)  

常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。 最初应用于军事通信,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。

码片序列(chip sequence) 

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片 (chip)。通常m取值是64或128。举例则简化取值为8。

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。

例如,S 站的 8 bit 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。 为表述准确方便,S 站的码片序列:(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)。

码片序列实现了扩频, 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: 一种是直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum),如上面讲的使用码片序列就是这一类。 另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。 

CDMA 的重要特点

每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。

码片序列的正交关系

令向量S表示站S的码片向量,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) 等于0:

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在内积的基础上, 除以位数,就是规格化。

正交关系的另一个重要特性: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。

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 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。 

CDMA 的工作原理

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码分多址访问(CDMA)

CDMA的工作原理:各个站点相互通讯时,每个站可做三个动作:(1)发送自己的码片(2)发送自己码片的反码(3)不发送。发送站的码片序列都是同步的,接收站事先知道其他站点的码片序列, 当收到码片时,与其他站点的码片进行内积运算, 如果结果是“1”,说明码片对应的站点发送了 “1”,如果结果为“-1”,说明码片对应的站点发送了“0”,如果结果是“0”,说明站点没有发送。 另还可根据所接收信息的幅值,知道有几个站点发送数据信息。