认识物理层(三)
认识物理层
四、信道复用技术
1、进行信道复用的原因
首先,信道是什么?复用是什么?
信道是传送信息的媒体,物理层提供了数据传送的实际信道。复用简单点讲就是共用,如我们一个宿舍4个人住,每个人有一个床位,床位就不需要复用,而一个宿舍只有一个卫生间,这个卫生间就要进行复用了。
资源有限,为了提高使用效率,需要进行复用。
2、信道复用时应该注意的问题
假设有A/B/C三路通话,通过空气中的无线信道进行传输,下图给出了不进行信道复用和进行信道复用的示意图。
在信道不进行复用时,三路通话单独占用一个信道,如果某路通话没有进行,其信道也不能被其他人占用,浪费了资源,而资源又是相当宝贵的。
在信道复用时,三路通话共享一个通信信道,在发送端信号叠加成一个总信号,在接收端进行分用,识别出每路的通信内容。
信道复用是为了节省信道资源和提高利用率,在进行信道复用时应该注意如何在共享的信道中解决冲突问题。因为不同通路的信号如果彼此干扰会造成接收端不可识别。
常用的信道复用技术
常见的信道复用技术有:
- 频分复用(FDM,Frequency Division Multiplexing)
- 时分复用(TDM,Time Division Multiplexing)
- 码分复用(CDMA,Code Division Multiple Access)
- 波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)
FDM
FDM顾名思义就是分频,将信道的频率划分成不同的频段,然后每路通话使用不同的频段
如我们熟知的广播电台,每个电台有自己独立的频段,音乐之声97MHz,交通之声100MHz,这样每个电台的内容互不干扰
FDM分析
横坐标表示时间,纵坐标表示频率,将频率分成四个频段,分别供四路通话使用,如果沿着纵轴做一条辅助线,我们可以看出FDM实际上就是相同的时间使用不同的频率。
TDM
TDM是分时,不再将信道的频率进行分段,而是让所有的用户在不同的时间占用同样的频带宽度。TDM就是将时间划分成一个个TDM时隙,当轮到一个路通话时,这路通路占用所有的频率资源进行通信,当时隙结束,轮到其他路通话。
TDM实例
Windows分时操作系统
Windows可以同时启动多个应用进程,如我们打开电脑,登上了QQ,同时在听音乐和访问网页,一共启动了三个进程,这三个进程在电脑里面是如何运行的呢?
实际上,CPU在任何一个时刻只能运行一个程序,也就是说三个进程在一个时刻只有一个能运行,CPU采用时间片轮转的方式工作,当一个时间片来临,进程A运行,然后下一个时间片给进程B运行,依次类推,由于时间片中规定的时间间隔非常小,我们并没有察觉哪个应用进程停止了运行。
TDM分析
TDM是不同的时间使用相同的频率。
机场大厅实例
为了更好地理解FDM和TDM的工作原理,我们引入“机场大厅”的例子。
在机场大厅,很多人正在两两交谈,FDM相当于把这些人划分成两两一组,让他们在一个指定区域内窃窃私语;TDM相当于让所有的人聚集在大厅的中央,但是按照时间顺序依次发言。
CDMA
CDMA是相同的时间使用相同的频率,如此大胆的设想,是否会成功?
CDMA大获成功了,是3G系统的基础。广泛应用在移动通信中,增大了通信系统的容量,是GSM(全球移动通讯系统,俗称"全球通")的4-5倍,并且降低了手机的平均发射功率。
CDMA基本思路
CDMA可以看成是大厅中央的每个人都在说话,但是每一对使用不同的语言。讲法语的这一对在谈论关于法国的事情,并把所有与法国无关的内容都当作噪声。
CDMA就是用编码技术将不同通路的内容加密成互不相干的数据,让彼此不会干扰。
CDMA工作三部曲
- 时间片序列选取
- 发送数据
- 检测数据
时间片序列选取
-
俗称密码;传输的数据中的每一位分成m个时间间隔,一般是m=64或者128,也就是密码的位数,为了研究方便,密码取8位。
-
每个站的时间片序列应互不相同,一般相互正交。
为什么要互不相同,正交又是什么?
-
只有互不相同的密码才可能将相似的通信内容编码后区分开来。
-
正交的含义我们在数学里面学过,如果两个向量正交,代表两个向量不具有相似性,其归一化内积为0。
举例:
例向量A={1,0,1},一个与向量A正交的向量B为{0,1,0},那么
-
第一步:时间片序列表示
每个站的密码由0和1组成,其中1用+1表示,0用-1表示,如A站的时间片序列表示为(+1+1-1-1+1+1-1-1)。
分析:
在时间片序列选取好后,站与站之间的时间片序列具有如下特性:
任何两个不同的时间片序列S和T的归一化内积S▪T=0;
任何时间片序列与自身的归一化内积一定是1,S▪S=1也有S▪(-S)=-1
验证:
我们假设S=(+1-1+1),那么-S=(-1+1-1),S▪S=1/3[(+1)*(+1)+(-1)*(-1)+(+1)*(+1)]=1;同理,我们可得S▪(-S)=-1。 -
第二步:发送数据
某个站要发送的数据位为1,发送自己的时间片序列;发送的数据位为0,发送时间片序列的反码。 -
第三步:检测数据
检测数据时,用各站的时间片序列与收到的总信号做内积,三个结果:
结果为1,代表该站发送了数据1;
结果为0,代表该站没有发送数据;
结果为-1,代表该站发送了数据0。
假设有三个站A/B/C,其码片序列分别是SA/SB/SC,其对应的反码表示为
在检测阶段,以A站为例,如果要判别A站是否发数据,发送了什么,我们用SA与T做归一化内积,表示为
WDM
WDM实际上就是光的频分复用,因为物理学上有C=λf,其中C为电磁波的传播速率,是一个定值,λ表示波长,f表示频率,波长和频率之间有一个固定的数量关系,所以WDM实际上就是FDM。
常用的信道复用技术小结
复用技术 | 核心原理 |
---|---|
FDM | 相同的时间使用不同的频率 |
TDM | 不同的时间使用相同的频率 |
CDMA | 相同的时间使用相同的频率 ,采用编码方式来区别 |