2.4 信道復(fù)用技術(shù)

2.4.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用

復(fù)用（multiplexing）是通信技術(shù)中的基本概念。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的信道廣泛地使用各種復(fù)用技術(shù)。下面對信道復(fù)用技術(shù)進(jìn)行簡單的介紹。

圖2-11(a)表示A1,B1和C1分別使用一個單獨的信道和A2,B2和C2進(jìn)行通信，總共需要三個信道。但如果在發(fā)送端使用一個復(fù)用器，就可以讓大家合起來使用一個共享信道進(jìn)行通信。共享信道的具體方法則取決于所使用的復(fù)用技術(shù)（不是簡單地相加）。在接收端再使用分用器，把合起來傳輸?shù)男畔⒎謩e送到相應(yīng)的終點。圖2-11(b)是復(fù)用的示意圖，表示在共享信道傳送的是復(fù)用的信號。當(dāng)然復(fù)用要付出一定代價（共享信道由于帶寬較大因而費用也較高，再加上復(fù)用器和分用器）。但如果復(fù)用的信道數(shù)量較大，那么在經(jīng)濟(jì)上還是合算的。

最基本的復(fù)用就是頻分復(fù)用FDM（Frequency Division Multiplexing）和時分復(fù)用TDM （Time Division Multiplexing）。頻分復(fù)用最簡單，其特點如圖2-12(a)所示。用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。可見頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。而時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。為簡單起見，在圖2-12(b)中只畫出了4個用戶A, B, C和D。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)的（其周期就是TDM幀的長度）。因此TDM信號也稱為等時（isochronous）信號。可以看出，時分復(fù)用的所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。這兩種復(fù)用方法的優(yōu)點是技術(shù)比較成熟，但缺點是不夠靈活。時分復(fù)用則更有利于數(shù)字信號的傳輸。

在使用頻分復(fù)用時，若每一個用戶占用的帶寬不變，則當(dāng)復(fù)用的用戶數(shù)增加時，復(fù)用后的信道的總帶寬就跟著變寬。例如，傳統(tǒng)的電話通信每一個標(biāo)準(zhǔn)話路的帶寬是4 kHz（即通信用的3.1kHz加上兩邊的保護(hù)頻帶），那么若有1000個用戶進(jìn)行頻分復(fù)用，則復(fù)用后的總帶寬就是4MHz。但在使用時分復(fù)用時，每一個時分復(fù)用幀的長度是不變的，始終是125μs。若有1000個用戶進(jìn)行時分復(fù)用，則每一個用戶分配到的時隙寬度就是125 μs的千分之一，即0.125μs，時隙寬度變得非常窄。我們應(yīng)注意到，時隙寬度非常窄的脈沖信號所占的頻譜范圍也是非常寬的。

在進(jìn)行通信時，復(fù)用器（multiplexer）總是和分用器（demultiplexer）成對地使用的。在復(fù)用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。分用器的作用正好和復(fù)用器的相反，它把高速信道傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分用，分別送交到相應(yīng)的用戶。

當(dāng)使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，一個用戶對已經(jīng)分配到的子信道的利用率一般是不高的。當(dāng)用戶在某一段時間暫時無數(shù)據(jù)傳輸時（例如用戶正在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)或正在瀏覽屏幕上的信息），那就只能讓已經(jīng)分配到手的子信道空閑著，而其他用戶也無法使用這個暫時空閑的線路資源。圖2-13說明了這一概念。這里假定有4個用戶A，B，C和D進(jìn)行時分復(fù)用。復(fù)用器按A→B→C→D的順序依次對用戶的時隙進(jìn)行掃描，然后構(gòu)成一個個時分復(fù)用幀。圖中共畫出了4個時分復(fù)用幀，每個時分復(fù)用幀有4個時隙。可以看出，當(dāng)某用戶暫時無數(shù)據(jù)發(fā)送時，在時分復(fù)用幀中分配給該用戶的時隙只能處于空閑狀態(tài)，其他用戶即使一直有數(shù)據(jù)要發(fā)送，也不能使用這些空閑的時隙。這就導(dǎo)致復(fù)用后的信道利用率不高。

統(tǒng)計時分復(fù)用STDM（Statistic TDM）是一種改進(jìn)的時分復(fù)用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器（concentrator）常使用這種統(tǒng)計時分復(fù)用。圖2-14是統(tǒng)計時分復(fù)用的原理圖。一個使用統(tǒng)計時分復(fù)用的集中器連接4個低速用戶，然后將它們的數(shù)據(jù)集中起來通過高速線路發(fā)送到遠(yuǎn)地計算機(jī)。

統(tǒng)計時分復(fù)用使用STDM幀來傳送復(fù)用的數(shù)據(jù)。但每一個STDM幀中的時隙數(shù)小于連接在集中器上的用戶數(shù)。各用戶有了數(shù)據(jù)就隨時發(fā)往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數(shù)據(jù)放入STDM幀中。對沒有數(shù)據(jù)的緩存就跳過去。當(dāng)一個幀的數(shù)據(jù)放滿了，就發(fā)送出去。因此，STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態(tài)地分配時隙。因此統(tǒng)計時分復(fù)用可以提高線路的利用率。我們還可看出，在輸出線路上，某一個用戶所占用的時隙并不是周期性地出現(xiàn)的。因此統(tǒng)計復(fù)用又稱為異步時分復(fù)用，而普通的時分復(fù)用稱為同步時分復(fù)用。這里應(yīng)注意的是，雖然統(tǒng)計時分復(fù)用的輸出線路上的數(shù)據(jù)率小于各輸入線路數(shù)據(jù)率的總和，但從平均的角度來看，這二者是平衡的。假定所有的用戶都不間斷地向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，那么集中器肯定無法應(yīng)付，它內(nèi)部設(shè)置的緩存都將溢出。所以集中器能夠正常工作的前提是假定各用戶都是間歇地工作。

由于STDM幀中的時隙并不是固定地分配給某個用戶的，因此在每個時隙中還必須有用戶的地址信息，這是統(tǒng)計時分復(fù)用必須要有的和不可避免的一些開銷。在圖2-14的輸出線路上每個時隙之前的短時隙（白色）就是用來放入這樣的地址信息的。使用統(tǒng)計時分復(fù)用的集中器也叫智能復(fù)用器，它能提供對整個報文的存儲轉(zhuǎn)發(fā)能力（但大多數(shù)復(fù)用器一次只能存儲一個字符或一個比特），通過排隊方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數(shù)據(jù)壓縮、前向糾錯等功能。

最后要強(qiáng)調(diào)一下，TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。這種“幀”和我們以后要討論的數(shù)據(jù)鏈路層的“幀”是完全不同的概念，不可弄混。

2.4.2 波分復(fù)用

波分復(fù)用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的頻分復(fù)用。光纖技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的傳輸速率空前提高。目前一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到2.5 Gb/s。再提高傳輸速率就比較困難了。如果設(shè)法對光纖傳輸中的色散（dispersion）問題加以解決，如采用色散補(bǔ)償技術(shù)，則一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到20Gb/s。這幾乎已到了單個光載波信號傳輸?shù)臉O限值。

但是，人們借用傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的概念，就能做到使用一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。這樣就使光纖的傳輸能力可成倍地提高。由于光載波的頻率很高，因此習(xí)慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波。這樣就得出了波分復(fù)用這一名詞。最初，人們只能在一根光纖上復(fù)用兩路光載波信號。這種復(fù)用方式稱為波分復(fù)用WDM。隨著技術(shù)的發(fā)展，在一根光纖上復(fù)用的光載波信號的路數(shù)越來越多。現(xiàn)在已能做到在一根光纖上復(fù)用80路或更多路數(shù)的光載波信號。于是就使用了密集波分復(fù)用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）這一名詞。圖2-15說明了波分復(fù)用的概念。

圖2-15表示8路傳輸速率均為2.5Gb/s的光載波（其波長均為1310nm②），經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長變換到1550~1557nm，每個光載波相隔1nm（這里只是為了說明問題的方便。實際上，對于密集波分復(fù)用，光載波的間隔一般是0.8或1.6 nm）。這8個波長很接近的光載波經(jīng)過光復(fù)用器（波分復(fù)用的復(fù)用器又稱為合波器）后，就在一根光纖中傳輸。因此，在一根光纖上數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偹俾示瓦_(dá)到了8×2.5Gb/s=20Gb/s。但光信號傳輸了一段距離后就會衰減，因此對衰減了的光信號必須進(jìn)行放大才能繼續(xù)傳輸。現(xiàn)在已經(jīng)有了很好的摻鉺光纖放大器EDFA （Erbium Doped Fiber Amplifier）。它是一種光放大器，不需要像以前那樣復(fù)雜：先把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電放大器放大后，再轉(zhuǎn)換成為光信號。摻鉺光纖放大器EDFA不需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而直接對光信號進(jìn)行放大，兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達(dá)120km。

單位nm是“納米”，即10-9m。1310nm=1.31μm。

在地下鋪設(shè)光纜是耗資很大的工程。因此人們總是在一根光纜中放入盡可能多的光纖（例如，放入100根以上的光纖），然后對每一根光纖使用密集波分復(fù)用技術(shù)。因此，對于具有100根速率為2.5Gb/s光纖的光纜，采用16倍的密集波分復(fù)用，得到一根光纜的總數(shù)據(jù)率為100×40Gb/s，或4Tb/s。這里的T為1012，中文名詞是“太”，即“兆兆”。

2.4.3 碼分復(fù)用

碼分復(fù)用CDM（Code Division Multiplexing）是另一種共享信道的方法。實際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。即每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。碼分復(fù)用最初是用于軍事通信的，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，CDMA設(shè)備的價格和體積都大幅度下降，因而現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于民用的移動通信中，特別是在無線局域網(wǎng)中。采用CDMA可提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p小干擾對通信的影響，增大通信系統(tǒng)的容量（是使用GSM的4~5倍），降低手機(jī)的平均發(fā)射功率，等等。下面簡述其工作原理。

在CDMA中，將每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片（chip）。通常m的值是64或128。在下面的原理性說明中，為了畫圖簡單起見，我們設(shè)m為8。

使用CDMA的每一個站被指派一個經(jīng)過精心挑選的m比特碼片序列（chip sequence）。各站點分配到的碼片序列都是不一樣的。一個站如果要發(fā)送碼元1，則發(fā)送它自己的m比特碼片序列。如果要發(fā)送碼元0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。例如，指派給S站的8比特碼片序列是00011011。當(dāng)S發(fā)送碼元1時，它就發(fā)送碼片序列00011011；而當(dāng)S發(fā)送碼元0時，就發(fā)送碼片序列11100100。為了方便，我們按慣例將碼片中的0寫為–1，將1寫為+1。因此S站發(fā)送碼元1時，它就發(fā)送碼片序列（-1–1–1+1+1–1+1+1），而當(dāng)S站發(fā)送碼元0時，它就發(fā)送碼片序列（+1+1+1–1–1+1–1–1）。

現(xiàn)假定S站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率為bb/s。由于每一個碼元要轉(zhuǎn)換成m比特的碼片，因此S站實際上發(fā)送的數(shù)據(jù)率將提高到m倍，即提高到mb b/s，同時S站所占用的頻帶寬度也擴(kuò)展到原來數(shù)值的m倍。因此這種通信方式稱為擴(kuò)頻（spread spectrum）通信。擴(kuò)頻通信通常有兩大類。一種是直接序列（direct sequence），如上面講的使用碼片序列就是這一類，記為DS-CDMA。另一種是跳頻（frequency hopping），記為FH-CDMA。

當(dāng)某個X站要接收S站發(fā)送的數(shù)據(jù)時，X站就必須知道S站所特有的碼片序列。X站使用它已經(jīng)獲得的S站的碼片序列與接收到的未知信號進(jìn)行專門的運算。結(jié)果是：所有其他站的信號都被過濾掉（好像過濾掉噪聲干擾一樣），而只剩下S站發(fā)送的信號：當(dāng)S站發(fā)送碼元1時，在X站計算出的結(jié)果是+1；當(dāng)S站發(fā)送碼元0時，在X站計算出的結(jié)果是–1。圖2-16表示了上述概念。