【计算机网络】计算机网络第二章——信道复用技术

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文章目录

• 引言

  • 信道复用技术的种类
  • • 频分复用（FDM）：一种基于频率的空间分组多路访问通信技术。
    • • 频分复用系统结构：其构成要素包括信号分割器、多个独立信道以及综合管理控制单元。

• 时间分复技术（TDM, Time Division Multiplexing）

• 核心技术要素

• 分类

• • 同步型时间分复技术（STDM）
  • 非同步型时间分复技术（ATDM/STDM）

在应用领域中广泛采用的通信技术主要包括以下几种：波分复用技术（WDM, Wavelength Division Multiplexing），码分复用技术（CDM, Code Division Multiplexing），以及空分复用技术（SDM, Space Division Multiplexing）。此外还有一种特殊的通信方式即极化波复用技术。

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前言

计算机网络

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作为多路复用技术的一种别称，在信息传递领域中

信道复用技术的类型

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）

原理：采用将总带宽划分为若干个子频域（也称为子信道）的方式，并为每个子信道分配独立信号。为了避免各独立信号间的干扰影响，在相邻的分组间设置了隔离区。优点：操作简便且充分利用率高，在提高系统效率方面表现出色。应用：该技术已被广泛应用在无线广播、卫星通信等多个领域中。

频分复用系统的组成部分

• 信号调制：各信号进行经振幅调制、频率调制及相位调制等技术处理后转换至不同频段。
• 频谱划分：将可利用频谱划分为若干个独立的子载波频段每个子载波对应特定中心频率用于单点信息传递。
• 信号传输：经预处理后的各信号同时发送至各自独立的子载波实现多路并行传输确保相邻子载波间保持足够的隔离带以防止干扰。
• 信号解调：接收端依据预先确定好的频谱划分方案解调各子载波上的信息恢复原始数据后供给相关接收装置完成后续处理。

时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）

时分复用（Time Division Multiplexing, TDM）是一种数字信号传输的技术手段。它通过将一条物理信道的时间资源分割成若干个时间段（也称为时隙），每个时间段供一个或多个信号源使用以完成数据传输任务。这种技术实现了在同一信道上实现多路信号的共享与传递。其显著特点是可以使多个信号在时间维度上进行交错发送与接收操作，从而有效提升了通信系统的承载效率和系统性能水平。

原理：将信道按时间分割成多个时隙，并将其依次分配给各个信号源使用。每个信号在自己的时隙时段内独自占用信道进行数据传输。
特点：时隙采用固定模式分配，并具备简便的调节与控制方式，在数字信息传输方面具有较好的适用性。然而该方法存在不足之处，在某信号源无数据传输时段下会导致对应信道出现空闲状态，从而降低了通信线路的整体利用率。
应用：涵盖电话系统、数据通信系统以及广电领域的SDH技术（Synchronous Digital Hierarchy）、ATM网络（Asynchronous Transfer Mode）、IP网络和HFC（High Frequency Component）网络等多种领域。

关键技术特点

• 时间分割：通过将信道的时间划分成多个独立的时间片分别用于不同的信号源。
• 同步性：为确保接收端能够正确重组信号必须保证发送端与接收端之间存在严格同步关系。
• 高效性：采用时间分割技术在同一物理信道上可同时传输多个信号从而显著提高信道利用率。
• 灵活性：系统可根据具体需求灵活调节时间片分配方案以适应不同数据传输速率的变化。

类型

时分复用技术主要包含同步型时间分频综合技术（Synchronous Time Division Multiplexing, STDM）以及异步型时间分频综合技术（Asynchronous Time Division Multiplexing, ATDM）。其中一种则被简称为统计型时间分频综合技术（Statistical Time Division Multiplexing, STDM）。

同步时分复用（STDM）

采用这种方案后，在时间管理上将时段划分为等长的时间片，并将这些时间段分别由特定的数据流负责。不论相关数据流是否存在传输需求，在这段时间片内都会被预留下来。这种方法具有较低的技术复杂度，但它可能导致资源浪费。

异步时分复用（ATDM/STDM）

与同步时分复用不同的是异步时分复用, 它赋予动态分配时隙的能力, 仅在信号源存在待传输数据的时候才进行这样的分配. 在这种情况下（数据传输量较小）, 这种方案更为高效, 它能够根据实际需求灵活配置时间资源. 然而其实施起来较为复杂, 需要更复杂的控制和调度算法

应用

时分复用技术在通信领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：

• 电话网络：传统电话网络通过整合多个电话信号至单条物理线路以实现信息传递。
  • 数据通信网络：在数据传输领域中，通过提升信道使用效率可实现信息并行传送。
  • 光纤通信：光纤系统采用时分复用技术，并与波分复用（WDM）方案相结合以显著提升了传输容量。
  • 移动通信：现代移动通信系统通过多用户信号的同时传送实现了更高的承载能力，在这一过程中时分复用来作为基础方案得到了广泛应用。

波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）

原理：光通信领域通过光纤延伸技术实现光纤通信资源的扩展，在不同的光波段上分别运行多根独立的虚拟光纤线路以提高传输容量。
类型：主要采用基于1310nm和1550nm波长的波分复用技术；其中粗波分复用（CWDM）与密集波分复用（DWDM）构成了完整的光码 Division Multiplexing系统。
应用：该技术已成为现代光纤通信系统的重要升级方向；并已成功应用于骨干网、长途传输网络以及城域网等关键通信网络中。

码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）

原理：通过采用不同的编码方案实现各路原始信号的区分，并实现通信资源的有效共用。所有用户均能在同一频带范围内通信，并通过引入独特的扩频码序列使各参与用户间的信号在频域上实现了完全分离。特点：该技术系统的频谱利用率显著提升，在抗干扰性能方面表现优异；同时具备极佳的信息保密性，并能保证语音传输质量具有较高水准等优势特性。应用：该技术方案广泛应用于现代无线通信系统领域中，并特别适用于诸如CDMA技术以及无线局域网等最为 prominent的应用场景之中。

每个比特时间被分割成 m 个短的间隔，并称为码片 (chip)。
每个站点都被分配了一个独特的 m bit 码片序列。
若传输比特 1，则会同时发送自己的 m bit 码片序列。
若传输比特 0，则会同时发送该码片序列的二进制反码。

空分复用（SDM，Space Division Multiplexing）

原理：采用多根同种类型的电线或光纤共享同一通信线路的技术称为复用方式，在光纤通信领域中较为常见的方式之一是将4对双绞线整合到一条缆线上（如常见的5类线）。
特点：该技术实现的前提条件是所使用的光纤或双绞线必须具有较小直径，在保证单根纤芯直径的前提下能够将多根光纤或多对双绞线集成到同一通信线路中，在此过程中既减少了外层保护材料的需求又提升了系统的灵活性与便利性。
统计复用（SDM）
原理：基于信道状态动态调整时间片分配策略的技术称为统计复用系统，在该系统中根据信号源的实际需求灵活分配时间片长度，并根据信号源是否需要发送数据以及所需带宽需求共同决定动态分配的时间片长度从而实现资源的有效利用最大化。
应用：该技术主要应用于数字电视节目复用器以及分组交换网络系统中。

极化波复用

在卫星系统中应用的复用技术体系中，每个馈源端能够接收两种不同的极化状态的波束信号：垂直与水平极化；左旋圆性和右旋圆性。该技术体系的主要优势体现在优化通信资源利用率方面，在单一物理信道上实现多条逻辑通信链路并行传输；降低运营成本方面，则通过减少所需传输介质的数量实现了资源的有效节约；提升系统效能方面，则允许多个用户或设备在同一时间进行高效通信。综上所述，在现代卫星通信系统中应用该种技术手段能够显著提升整体性能水平