《计算机网络体系结构》学习笔记之 第三章 数据通信基础（三）

•第六节多路复用技术

一、多路复用概念

 

多路复用（ MUX ）这一术语来源于拉丁词 multi （许多）和 plex （混合）。多路复用指的是复用信道，即是利用一个物理信道同时传输多个信号，以提高信道利用率，使得一条线路能同时由多个用户使用而互不影响。多路复用器连接许多条低速线路，并将它们各自所需的传输容量组合在一起后，在一条速度较高的线路上传输。也即低速线路在其远端合并，仅由一条较高速度的线路传输所有信息，而不是在一个发送端和接收端之间连接着许多低速线路。如图所示。

图 3.8 多路复用技术

多路复用的优点是：仅需一条传输线路，所需介质较少，所用的传输介质的容量可以得到充分利用。从而降低了设备费用，提高了工作效率。而且用户不需要进行任何实际的修改，多路复用系统对用户是透明的，每个很远的地点都好像仍然直接接到总部所在地。同时，由于线路中用的缓冲部件较少，时间延迟较少。

二、多路复用技术

1.空分复用

空分复用是指通过信号在空间上的分离来达到信道的复用。

例如，在光纤通信中，空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，即将多根光纤组合成束；二是在一根光纤中的光 " 束 " 沿空间分割的一种多维通信方式。可以引入多维相干度调制与解调的新概念来实现多路空分复用通信。

传象速是一种特殊的空分复用方式。它是将图像采用空分复用方式传输，使其传输速度成数量级地提高。几十万个象素的多芯传象光纤己相当成熟。其色保持特性和透光性已相当令人满意，是空分复用的一个发展方向。

2.频分复用

频分复用的典型例子有许多，如无线电广播、无线电视中将多个电台或电视台的多组节目对应的声音、图像信号分别载在不同频率的无线电波上，同时在同一无线空间中传播，接收者根据需要接收特定的某种频率的信号收听或收看。

同样，有线电视也是基于同一原理。总之，频分复用是把线路或空间的频带资源分成多个频段（带），将其分别分配给多个用户，每个用户终端的数据通过分配给它的子通路（频段）传输，主要用于电话和电缆电视（ CATV ）系统。在 FDM 频分复用中，各个频段（带）都有一定的带宽，称之为逻辑信道（有时简称为信道）。为了防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频率段之间设立一定的 " 保护 " 带，保护带对应的频谱不被使用，以保证各个频带互相隔离不会交叠。

3.时分复用

时分多路复用是将传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙、时间片等， slottime ）。每个时间片被一路信号占用。换句话说， TDM 就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条线路传送多路信号。线路上的每一时刻只有一路信号存在，而频分是同时传送若干路不同频率的信号。因为数字信号是有限个离散值，所以适合于采用时分多路复用技术，而模拟信号的传输一般采用频分多路复用。 TDM 又分为同步时分复用（ SynchronousTimeDivisionMultiplexing ）和异步时分复用（ ATDM ）。

・ 同步时分复用：

同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段，再将每一时间段划分成等长度的多个时隙（时间片），每个叫隙以固定的方式分配给各路数字信号．各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。通常，与复用器相连接的是低速设备（如终端），复用器将低速设备送来的在时间上连续的低速率数据经过提高传输速率，将其压缩到对应时隙，使其变为在时间上间断的高速时分数据，以达到多路低速设备复用高速链路的目的。所以与复用器相连的低速设备数目及速率受复用群反复用传输速率的限制。

由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时间片拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低，为了克服 STDM 的缺点，引入了异步时分复用（ ATDM ）技术。

・ 异步时分复用：

异步时分复用技术又被称为统计时分复用（ statisticaltimedivisionmultiplexing ）或智能时分复用（ ITDM ），它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。

ATDM 就是只有某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时不给它分配线路资源（时隙）。线路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。所以每个用户的传输速率可以高于平均速率（即通过多占时隙），最高可达到线路总的传输能力（即占有所有的时隙）。如线路总的传输能力为 28.8Kbps ， 3 个用户公用此线路，在同步时分复用方式中，则每个用户的最高速率为 9600bps ，而在 ATDM 方式时，每个用户的最高速率可达 28.8Kbps 。

4.码分复用

码分复用（ CDMA ）与前面介绍的信道分配方法完全不同。前面所介绍的方法中，有些是将信道分成频率段，对它们进行静态分配（ FDM ），另外的方法则是根据帧来分配信道，将整个信道静态地（具有固定时隙的 TDM ）。码分复用允许所有站点同时在整个频段上进行传输，多路的问时传输采用编码原理加以区分。码分复用假定多重信号是线性叠加的。

在研究码分复用的算法之前，先考虑一下信道访问的鸡尾酒会原理：在一个大房间里，许多对人正在交谈。 TDM 就是房间里有人依次讲话，一个结束后另一个再接上。 FDM 就是所有的人分成不同的组，每个组同时进行自己的交谈，但依旧独立。码分复用就是房间里的不同对的人分别用不同的语言进行交谈，讲法语的人只理会法语，其他的就当作噪音不加理会。因此，码分复用的关键就是能够提取出所需的信号，同时将其他的一切当作随机噪声抛弃。

在 CDMA 中，每比特时间被分成 m 个短的时间段，称为芯片（ chip ）。通常情况下，每比特有 64 个或 128 个芯片。但在下面的例子中，为了简化问题，假定每比特有 8 个芯片。

每个站点被指定一个唯一的 m 位的代码或芯片序列（ chipsequence ）。当发送比特 1 时，站点就发送其芯片序列，想发送比特 0 时，站点就发送其芯片序列的补码。除此之外，没有其他任何格式。因此，假如站点 A 的芯片序列被指定为 00011011 ，发送 00011011 就表示发送比特 1 ，发送 11100100 就表示发送比特 0 。

只有在带宽增加到 m 倍的情况下，发送的信息量才能从 bb/s 增加到 mb 芯片 /s 。这使 CDMA 成为一种扩频方式的通信（假设调制及编码技术不变）。假如 l00 个站点共用 1MHz 的带宽，在使用 FDM 时传输速率为 10k/s （假定 1b/ 比）。以 CDMA 方式，每个站点使用完整的 1MHz 的带宽，芯片速率就为 1M 片 /s 。假如每比特少于 100 片，那么 CDMA 中每站的有效带宽就高于 FDM ，于是信道分配问题也就解决了，这一点下面很快就会看到。

为了讲解上的方便，这里采用了双极型的形式，就是二进制 0 由 -1 代替，二进制 1 由 +1 代替。书写时，将芯片序列用括号括起来，比如站点 1 的芯片序列为 (- 1-1-1 +1+1-1+1+1) 。图 3.9(a) 中，给出了 4 个站点的二进制芯片序列，图 3.9(b) 给出了它们的双极型形式。

可以用另一种方式考虑一下这种情况，想像 3 个芯片序列是分开的，并没有进行累加。接收方分别与每一个完成内标积计算后进行累加。由于正交特性，除了 C・C 之外，其余的内标积全为 0 。累加后计算内标积和计算内标积后冉累加，实际上是一回事。

为了使解码过程更具体一些，考虑一下图 3.9(d) 中的 6 个例子。假设接收方想从 S 1 -S 6 的 6 个序列中还原出站点 C 发送的信号。它分别计算接收到的 S 与 C 向量两两相乘的积，再取结果的 l/8 （因为 m=8 ），即为站点 C 所发送的比特值。如图所示，每个时刻的信号均被还原，如同讲法语的情况一样。

理想状态下，无噪声的 CDMA 系统的容量 ( 即站点的数量 ) 可以任意大，就像无噪声的尼奎斯特信道在对采样使用多比特编码情况下其容量任意大一样。但在实际中，由于物理条件的限制。容量大打折扣。

首先，这里假定所有的芯片在时间上都是同步的，但在实际中，这是不可能的。在实际应用中，发送方发送 - 个足够长的已知接收方可以锁定的芯片序列，使发送方和接收方同步。其他的所有传送（非同步的）都被认为是随机噪声。只要非同步传送不是太多的话，基本的解码算法的工作效果仍然相当好。关于芯片序列叠加以至成为噪声，有一大套理论（ Pickholtz 等 1982 ）。大家可以推断出：芯片序列越长，正确地从噪声中探测到的可能性就越大，要获得额外的安全性，比特序列可以采用纠错码，但芯片序列却从不使用纠错码。

上述讨论隐含了一个假定，这就是接收方从所有站点收到的功率都是同一等级的。 CDMA 适用的无线网系统，通常由一个基站和许多距离不等的移动站点构成。基站接收到的功率取决于发送方的远近。于是 CDMA 中采取了一种效果良好的试探法。每个移动站点根据它从基站收到的功率大小进行发送。收到基站信号较弱的移动站点会使用比收到较强信号时更大的功率进行发送。另外，基站也可以明确地命令移动站点增强或减小发送功率。

另外，这里还假定接收方知道谁是发送方。理论上说，只要计算能力足够，接收方就可以同时并行地对所有站点进行解码。但是说起来容易做起来难，现实中很难实现。另外， CDMA 还有许多其他复杂的因素在这里还未曾涉及。尽管如此， CDMA 仍是无线移动通信中迅速发展的一种比较巧妙的方法。

5.波分复用

在光纤信道上使用的是频分多路复用的一个变种，即波分多路复用 WDM （ wavelengthdivisionmultiplexing ）。图 3.10 即一种在光纤上获得 WDM 的简单方法。在这种方法中，两根光纤连到一个棱柱（或更可能是衍射光栅），每根的能量处于不同的波段。两束光通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，随后再将它们分解开来。

图 3.10 波分多路复用

这里没有使用什么新的技术。由于每个信道有自己的频率范围，而且所有的范围都是分隔的，所以它们可以被多路复用到长距离的光纤上。与电子的 FDM 不同的唯一的区别是：光纤系统使用的衍射光栅是完全无源的，因此极其可靠。

应该注意到， WDM 很流行的原因是一根光纤上的能量常常仅仅有几 GHz 宽，因为现在不可能在光电介质间作更快的转换。而一根光纤的带宽大约是 25000GHz ，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上，当然前提条件是所有的输入信道都应使用不同的频率。

WDM 一个可能的应用是 FTTC 系统。最初，电话公司可以从一个端局向一个邻接的接线盒引一根光纤，在接线盒处用多根双绞线引入各个家庭。数年以后，当光纤的成本降下来而对它的需求上升时，就可以用光纤代替双绞线，这样所有的本地回路都利用 WDM 连接到通向端局的光纤上。

 

•第七节计算机数据传输与控制方式

一、数据传输方式

1.并行数据传输

由 0 和 1 组成的二进制值可以组成 n 比特的位组。计算机使用和生成以比特组为单位的数据，就象我们在英语会话时用词而不是一个个的字母来交流一样。通过分组，我们可以一次发送 n 个比特而不是一个比特。这称为并行传输。

从概念上说，并行传输的机制很简单：一次使用 n 条导线来传输 n 个比特。这种方式下、每个比特都使用专用的线路，而一组中的 n 个比特就可以在每个时钟脉冲从一个设备传输到另一个设备。图 3.11 显示了 n ＝ 8 时并行传输的工作状况。通常八根导线被捆成一根电缆，两端都有连接头。

并行传输的优势在于速度。当其他因素相同时，并行传输将比串行传输的速度快 n 倍，但同时也存在一个严重缺点：费用高。为进行数据传输，并行传输需要 M 条通信线路（在本例中是导线）。因为如此昂贵，所以并行传输通常被限制在最长 25 英尺的距离内。

2.串行数据传输

在串行传输中，比特是一个一个依次发送的．因此在两个通信设备之间传输数据只需要一条通信信道，而不是 n 条。参见图 3.12 。

串行传输相对于并行传输的优点是：因为只需要一条通信信道，串行传输的费用大约只是并行传输的 n 分之一。

因为在设备内部的传输是并行的，所以在发送端和线路之间以及接收端和线路之间的接口上，都需要有转换器（前者是并 / 串转换，后者是串 / 并转换）。

图 3.12 串行传输

二、数据传输控制方式

1.单工

在单工方式中，通信是单向进行的，就象是单行道。一条链路的两个站点中只有一个可以进行传输，另一个只能接收。见图 3.13 。

键盘和传统监视器都是单工设备的例子。键盘只能接受输入，监视器只能接受输出信号。

图 3.13 单工方式

2.半双工

在半双工方式下，每个站点都可以发送和接收，但是不能同时发送和接收。当其中一个设备在发送时，另一个只能接收，反之亦然。见图 3.14 。

半双工方式象只有一个车道的双向交通。当车辆朝某个方向行驶时，向另一方向行驶的必须等待。在半双工方式中，无论那一方开始传输，就使用信道的整个带宽。对讲机和民用无线电即是半双工系统。

 

图 3.14 半双工方式

 

3.全双工

在全双工方式中 ( 也叫双工方式 ) ，两个站点同时都可以进行发送和接收。见图 3.15 。

全双工方式象同时允许两个方向的车辆通行的双车道公路交通。在全双工方式下，两个方向的信号共享链路带宽。这种共享可以两种方式进行：要么链路具有两条物理上独立的传输路径，一条发送一条接收，或者为同时传输两个方向的信号将信道的带宽一分为二。

 

图 3.15 双工方式