【计算机网络】第二章：物理层（Part2：信道复用技术和宽带接入技术）
CN.StudyLog.Ch2.Physical Layer.物理层（Part2.信道复用&宽带接入）
- 信道复用技术
- 频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)
- 时分复用（TDM，Time-division multiplexing）
- 波分复用（WDM,Wavelength Division Multiplexing)
- 码分复用(CDM，Code Division Multiplexing)
- 码片正交
- 宽带接入技术
- 铜线接入技术
- 光纤同轴混合网HFC
- 光纤接入技术
- 移动互联网接入技术
信道复用技术
如图所示，这是一个电话线通信模型。A要给B打电话，D要给C打电话，他们公用一条物理链路，则通过信道复用技术，能够满足A和B通信的同时，C和D也能够通信。这就是信道复用的概念——一链路内允许开辟多条信道来使多个信号进行传递。
分为四大类：频分复用，时分复用，波分复用，码分复用。
频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)
频分复用只适用于模拟信号，数字信号无法频分复用。
简单来说就是在信道允许的频率范围内，分多个频段，每个频段当做一个信道。且不同频段的信号在链路上可以叠加（这是模拟信号的特点），模拟信号叠加后，在链路上传播，在接收端会通过过分离器把不同信号分离开，并通过过滤器过滤出信号。然后通过调职解调来还原消息信号。
如下图示，很直观清晰的反应了这种模式。
应用：利用频分复用提高数字信号的传输效率（ADSL上网）
如图，一串二进制编码在电话线中传播时需要转换成模拟信号，但是上图所示的传播方式效率有些低了。因为整条链路只有一个信道，对信道的利用率不高，所以我们尝试将一个信道分批成多个信道然后再进行数据传播。
如图所示，将数字信号的每三位划分为一组。然后每一组的1,2，3序号对应形成一个新的队列。然后每个队列使用一种频段（一个信道），然后在链路内进行频分复用传输，效率提高至原来的三倍。
时分复用（TDM，Time-division multiplexing）
适用于的数字信号。为了充分利用链路带宽，而使用的时分复用技术。比如两人语音聊天，只要求56Kb/s就可以清晰流畅的交流，那么一条光纤的10Gb/s的带宽只提供给一个信道就过于浪费了。
道理等同于利用频分复用提高数字信号传输效率的思路，将ABCD四个信道的数字信号，按位排序。从右往左（因为信号的读取就是从右往左）的每个信道的第x位，按照固有顺序排列成一个队列。在上图中是从A到D的顺序排列，A的第一位1放在第一个TDM帧的第一位，B的第一位0放在第一个TDM帧的第二位，以此类推。传播到接收端后通过分用器再将队列拆分并分配给对应信道。这样配置的话链路上就没有闲置的时间，充分利用带宽。
时分复用的问题：
如果不同信道内的不同时间段内有没有数据的情况。会造成传输能力的浪费。
解决方法：统计时分复用
如图所示，给每个信道的数据添加一个标记，这样在复用和分用的时候，可以明确来源和去向的信道。这样每次组装TDM帧就可以不在乎固定大小，而直接谁来谁发，接收时做一次识别。增加了识别的开销。
PS：交换机的干道链路是统计时分复用技术应用的体现，VLAN是一个信道。
波分复用（WDM,Wavelength Division Multiplexing)
就是光的频分复用，只不过这里的频率改成了光的波长。
道理和频分复用一样，一条链路上承载多个不同波长的光信号。
码分复用(CDM，Code Division Multiplexing)
又称为CDMA（码分多址），在移动通信领域用的比较多。下面先来了解一下移动通信的原理。
我们国内的运营商会在全国各地盖基站，每个基站都有一个很大的辐射范围，每当你的手机移动到一个区域，会在离你距离最近的基站上注册，这样当你进行通化时，就可以通过基站来发射信号，基站之间通过光纤连接，如果有直连线则直连，否则通过其他基站转接。每当手机在基站注册时，会在数据库上更新你当前的基站信息，这就是为什么你来到北京会自动收到【北京欢迎您】的短信。通过这种应用，手机丢失其实是很好找回的，只要手机一开机，就能够锁定位置，至少一个区域是没问题的，但是一般运营商不会因为你手机丢了给你查数据库，重大案件可能会有所应用。
那么，假设每个基站有N台设备在内，其中有几台要同时给自己的对象打电话，这时基站传输后最终发射出的信号是叠加后的信号而不是给每个手机发送它所需要的信号。类似于广播传输，基站传输给该基站下的所有手机叠加后的信号，然后手机内有一个独一无二的码片，该码片类似分离器，能够过滤其他不属于自己的信号，如果过滤后没有给自己的信号，那么手机不会有任何响应（响铃、震动等），用户也感受不到。
根据从简单到复杂的顺序，我们先看一台手机的情况下码分复用如何实现的。
基站和手机本身都知道码片的序列。
手机会根据自己独一无二的码片解读信号。上图发送的数据是110.如果是1，则发送的信号是该手机码片本身，是0则是该码片的反码。这里的+1和-1都是用电压来表示信号的高低。但是我们可以看到，八位码元才传输了一个二进制的数据，也就说传输效率明显下降了。（如果码片是16位则效率更低）
码片正交
这里的规格化内积呢，解释起来也很简单。
EX）A·B 也就是做码片A和B码片的坐标内积，然后除以位数。
上图为例就是
（ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） + （ − 1 ∗ − 1 ） 8 \frac{（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*-1）}{8} 8（−1∗−1）+（−1∗−1）+（−1∗−1）+（−1∗−1）+（−1∗−1）+（−1∗−1）+（−1∗−1）+（−1∗−1）
= 1 + 1 − 1 − 1 + 1 − 1 + 1 − 1 8 =\frac{1+1-1-1+1-1+1-1}{8} =81+1−1−1+1−1+1−1
= 0 =0 =0
因此这两个码片是正交的。只有码片正交才能实现码分复用的功能。
明确码片的正交关系后，再看下图
上图展示了基站同事给多个手机发信号时的概念。这里是基站发送给A和B的通信数据但是不含有给C的通信数据。然后我们来分析这个图。
给A和B的信号通过他们的码片编辑的对应码元按照同位叠加的方式叠加成一个复合信号，基站将该复合信号发送给在该基站下的ABC三台手机。
然后三台手机分别通过自己的码片进行核实，核实方法是将对应信号与自己码片做内积。来看第一个叠加后的信号是
| 来源 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 叠加 | 0 | 0 | -2 | 2 | 0 | -2 | 0 | 2 |
| A | -1 | -1 | -1 | 1 | 1 | -1 | 1 | 1 |
| B | -1 | -1 | 1 | -1 | 1 | 1 | 1 | -1 |
| C | -1 | 1 | -1 | 1 | 1 | 1 | -1 | -1 |
| A●叠加 | 0 | 0 | 2 | 2 | 0 | 2 | 0 | 2 |
| B●叠加 | 0 | 0 | -2 | -2 | 0 | -2 | 0 | -2 |
| C●叠加 | 0 | 0 | 2 | 2 | 0 | -2 | 0 | -2 |
其中
A●叠加之和=1，代表对应的正电压信号，是二进制中的1
B●叠加之和=-1，代表对应的负电压信号，是二进制中的0
C●叠加之和=0，代表无电压，即无信号。
宽带接入技术
宽带接入技术是指如何让网民接入因特网。希望使用家庭用户现有的链路来提供因特网接入而不是重新接一根线。一般是使用电话线（铜线接入）或者有线电视线接入（光纤同轴混合网HFC网）或光纤接入（为小区居民铺设光缆）以及移动互联网接入技术（手机的3G/4G/5G上网，通过ISP的基站相连）。
铜线接入技术
xDSL的x是指个俄中类型的数字用户线路。ADSL是下载快上传慢的典例。
实现方式：
这是电话线能通过的频率， 不同区域的频率区间来创建下载、上传、和电话等多种不同用途的多个信道。如图所示，频率范围明显的下行信道大于上行信道，因此可以容纳的信道量也会更多。
由此可以实现一根电话线又允许打电话又允许联网。
下面是一些其他的铜线接入技术
这种非对称适用于家庭用户，不适用于企业用户。因为两个企业之间的传输数据的时候，对于接收方是下载，速度快；但是对于发送方是上传，速度慢。所以为了避免这种情况，企业大多使用对称网络接入。
光纤同轴混合网HFC
同轴电缆信号衰减比较严重，过三十米就有比较大的衰减，过600米必须放信号放大器才能传的更远，信号放大器放的越多越容易出故障。因为有一处断路整条链路就会断，所以又增加一处光纤节点。再通过光纤节点来进行光信号传输。
有线电视光纤部分传输距离远，同轴电缆传输距离一般。
有线电视提供的因特网接入的对应频率分布也在图内直观表现了。
HFC和电话线上网的上网带宽已经很难进一步提高了。
为了提高上网速度，就需要使用光纤。
光纤接入技术
光纤接入在城市内很容易实现，农村由于成本问题会较少。
移动互联网接入技术
本质和有线接入差不多，这里要说几个概念
1.4G全IP网：移动设备每移动到一个基站范围内，其网段会自动改变，同一基站下的移动设备网段均相同。
2.基于子网的4G IP网络
很多基站，一个子网。多个基站使用一个大的网站。