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标题: 计算机网络:物理层 —— 信道复用技术 [打印本页]

作者: 杀鸡焉用牛刀    时间: 2024-10-8 22:32
标题: 计算机网络:物理层 —— 信道复用技术
信道

信道是指信息传输的通道或介质。在通讯中,信道扮演着传输信息的媒介的角色,将发送方发送的信号传递给接收方。
信道可以是无线信道,如空中传输的无线电波或红外线信号,也可以是有线信道,如同轴电缆、光纤等,大概是通过这些介质界说的一条逻辑毗连。
根据传输方式的不同,信道可以分为以下几种类型:

   前置阅读:计算机网络:物理层 —— 信道及其极限容量
  信道容量是一个信道能够以多快的速率传输信息的最大限制,即信道的极限信息传输速率。它表示了在给定的传输条件下,信道可以可靠地传输的最大数据速率。每个信道都有其极限容量
信道复用技术

复用(Multiplexing)就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号
当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时,就可以通过复用技术,在这条传输媒体上创建多条通讯信道,以便充实利用传输媒体的带宽。
信道复用技术的作用

信道复用技术(Channel Multiplexing)在计算机网络中非常紧张,它使得多个信号可以在同一个物理信道上传输,从而进步了网络资源的利用率。信道复用技术的主要作用有:
基本原理

利用复用技术,要在发送端利用一个复用器,让多个用户通过复用器利用一个大容量共享信道举行通讯,在接收端利用一个分用器,将共享信道中传输的信息分别发送给相应的用户。

尽管实现信道复用会增长通讯成本(需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道),但假如复用的信道数量较大,照旧比较划算的。
常用的信道复用技术

频分复用 FDM

频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)通过将不同信号分配到不同的频率带宽上(传送媒体的总频带划分为多个子频带),实现了信号的同时传输和共享通讯媒介的目的。
在频分复用中,不同的信号被调制到不同的频率上,然后通过共享同一条物理传输媒介(如电缆或光纤)举行传输。每个信号利用的频率带宽应足够宽以容纳信号的频率范围,且彼此不重叠。接收端根据预先确定的频率范围来解调不同的信号,以规复原始数据。
频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源发送数据

频分复用可广泛用于各种通讯体系,如无线通讯、有线通讯和卫星通讯等。它使得多个信号可以同时传输,进步了通讯体系的资源利用率和传输效率。
频分复用也有一些限制

时分复用 TDM

时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)通过按照时间片断划分,将不同信号以轮流的方式共享同一个通讯媒介举行传输
在时分复用中,每个信号被分配给特定的时间段,称为时间片或时隙每个信号在其对应的时间片中举行传输,按照预定的次序依次举行。接收端按照相同的时间序列来解调和还原各个信号。
每个时分复用的用户,在其相应时隙内独占传输媒体的资源举行通讯。时分复用的各用户所对应的时隙就构成了时分复用帧TDM 帧)。用户占用的时隙是周期性的,其周期为 TDM帧 的长度
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带

TDM帧 现实上是一段固定长度的时间,它与数据链路层对等实体间逻辑通讯的“帧”,是完全不同的概念。
时分复用可用于各种通讯体系,如电话网络、数字传输体系等。它答应多个信号共享同一条物理传输媒介,进步了信道的利用效率和传输容量。
时分复用的主要长处是每个信号在不同的时间片中举行传输,克制了频率上的冲突和干扰。它还具有灵活性,可以将不同数据流按照需要举行动态分配。别的,时分复用也相对简单实现,对设备的要求较低。
时分复用也有一些限制:

波分复用 WDM

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)现实上为光的频分复用 FDM。通过将不同信号调制到不同的光波长上,实现了信号的同时传输和共享光纤通讯媒介的目的
在波分复用中,不同的信号利用不同的光波长来传输。每个信号利用的光波长应该是独立的且不重叠的,典型的光波长范围是纳米级(nm)。可在一根光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号,实现基于光纤的频分复用技术。
现在可以在一根光纤上复用 80 路或更多路的光载波信号。因此,这种复用技术也称为 麋集波分复用DWDM
在发送端,每个信号颠末调制器被分配一个特定的光波长,然后通过光纤传输到接收端。在接收端,通过光解复用器将不同光波长的信号分离出来,然后举行相应的解调和处理。

波分复用广泛应用于光纤通讯体系,包括长距离光纤传输、数据中心互连和光网络等领域。它通过在不同光波长上传输不同信号,实现了高密度、高速率、低延迟的数据传输。
铺设光缆的工程耗资巨大,应只管在一根光缆中放入尽大概多的光纤,然后对每一根光纤利用麋集波分复用技术。例如,在一根光缆中放入 100 根速率为                                    2.5                         G                         b                         /                         s                              2.5Gb/s                  2.5Gb/s 的光纤,对每根光纤采用40倍的麋集波分复用,则这根光缆的总数据速率为                                    (                         2.5                         G                         b                         /                         s                         ×                         40                         )                         ×                         100                         =                         10000                         G                         b                         /                         s                         =                         10                         T                         b                         /                         s                              (2.5 Gb/s \times 40) \times 100 = 10000 Gb/s = 10 Tb/s                  (2.5Gb/s×40)×100=10000Gb/s=10Tb/s。
波分复用使得多个信号能够同时传输,进步了通讯体系的资源利用率和传输效率。同时,由于光波长的特性,光信号在光纤中传输的损耗较小,抗干扰能力较强。
波分复用也有一些限制:

码分复用 CDM

码分复用(Code Division Multiplexing,CDM)常称为码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)。通过在发送端将不同信号编码为不同的伪随机码序列,然后在接收端利用相同的伪随机码序列来解码和分离各个信号。它是在扩频通讯技术的基础上发展起来的一种无线通讯技术。
与 FDM 和 TDM 不同,CDMA 的每个用户可以在相同的时间利用相同的频带举行通讯
在码分复用中,每个信号被调制为不同的伪随机码序列,称为扩频码或扩频信号。即每个比特时间划分为 m 个更短的时间片,称为码片(Chip)单起见。每个信号利用的扩频码应该是独立的且不重叠的。然后,多个信号通过共享相同的频率带宽举行传输。
CDMA 中的每个站点都被指派一个唯一的 m 比特码片序列(ChipSequence):

码片向量

将码片序列中的比特 0 记为 -1,而比特 1 记为 +1,可写出码片序列相应的码片向量

基本原理

在发送端,每个信号颠末扩频码和原始信号的点乘运算,天生扩频信号。然后这些扩频信号颠末叠加形成复合信号,通过共享同一条物理传输媒介举行传输。在接收端,利用相同的扩频码举行解码分离各个信号,规复原始数据
基站发送比特位 1 或 0 时,各用户用自己的码片向量与收到的叠加后的码片向量,做规格化内积运算

基站发送比特串时,用户收到基站发来的叠加后的信号,就用自己的码片向量与收到的着加后的码片向量,做规格化内积运算:

得到基站给用户发送的相应的比特串,若运算结果为 0,则表示基站未发送数据

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