计算机网络—信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念，在计算机网络中，信道广泛的使用各种复用技术。

“复用”一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。

信道复用技术主要有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、统计时分复用(STDM)、波分复用(WDM)、码分复用(CDM)等。

最基本的复用技术是频分复用(FDM)和时分复用(TDM)

频分复用

频分复用是指用户在通信的过程中，给每一个用户分配不同的频带，用户自始至终占用这个频带，也就是说所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。可以形象的用下图表示。

时分复用

时分复用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，其中每一个用户所占用的时隙周期性的出现，也就是说所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度，可用下图表示

在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。

当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，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时（例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息），那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

如下图，这里假设有4个用户A，B，C和D进行时分复用。复用器按A→B→C→D的顺序依次对用户的时隙进行扫描，然后构成一个个时分复用顿。图中共画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。每一个用户所分配到的时隙是时分复用帧的1/4。可以看出，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用顿中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高，所以就产生了一种改进的时分复用技术，叫做统计时分复用(STDM)。

统计时分复用

统计时分复用是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。我们还可看出，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

波分复用

 波分复用就是光的频分复用。

码分复用

码分复用是另一种共享信道的方法，实际上，人们更常用的名词是码分多址 (CDMA)，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

码分复用原理介绍：

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片，通常m的值是64或128。在下面的原理性说明中，我们设m为8。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是（-1-1-1 +1+1-1+1 +1）。

CDMA系统的一个重要特点就是给每一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。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积为0：

而且，向量S和各站码片反码的向量的内积也是0。

另外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，而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

现在令向量S表示A站的码片向量，其码片序列S为（-1-1-1 +1+1-1+1 +1），令T表示B站的码片向量，令向量T为（-1-1 +1-1 +1 +1+1-1）。
        当A站向C站发送数据1时，就发送了向量（-1-1-1+1 +1-1+1+1）。

        当B站向C站发送数据0时，就发送了向量（+1+1-1+1-1-1-1+1）。
两个向量到了公共信道上就进行叠加，实际上就是线性相加，得到S-T =（0 0-2 2 0-2 0 2）
到达C站后，进行数据分离。如果要得到来自A站的数据，那么就让S与S-T进行规格化内积，得到
S·(S-T)=1所以A站发出的数据是1。

同理，如果要得到来自B站的数据，那么T·(S-T) = -1因此从B站发送过来的信号向量是一个反码向量，代表0。