【计算机网络 | 第10篇】信道复用技术

信道复用技术：高效利用通信资源的智慧方案

在通信系统中，如何让多个用户或设备共享有限的物理信道资源，同时高效传输信号？这就需要依靠信道复用技术。复用技术通过共享同一物理信道传输多路用户信号，是提高通信效率的关键，广泛应用于计算机网络、电话系统和广播领域。

虽然复用需要额外投入复用器、分用器及高带宽信道，但当用户数量较大时，其经济性优势显著。常见的信道复用技术包括频分复用、时分复用、波分复用和码分复用，下面我们逐一解析。

一、频分复用（FDM）：按频率划分的并行通道

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）的核心是将信道的总频带划分为多个独立的子频带，每个子频带作为一个专属子信道，供一对用户单独使用。

• 工作原理：通过调制技术（如AM/FM）将不同用户的信号“搬移”到指定的子频带位置，所有用户在同一时间占用不同的频带资源，实现并行通信。为避免子信道间的干扰，相邻子信道之间会预留“隔离频带”。

• 带宽特性：若每个用户占用的带宽固定，用户数量越多，总带宽需求越大。例如，每个标准话路的带宽为4kHz（含3.1kHz语音信号和保护频带），1000个用户采用FDM复用时，总带宽需达到4MHz（1000×4kHz）。

二、时分复用（TDM）：按时间分割的轮流占用

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）与FDM不同，它将时间划分为等长的“时隙”，让用户在不同时间轮流占用信道资源。

• 工作原理：每个用户在固定顺序的时隙内独占信道，所有用户的时隙周期性组成“TDM帧”，周期即为TDM帧的长度。从单个时刻看，信道仅传输某一用户的信号；从整体时间看，信号按时间分割复用。

• 局限性：时隙分配是固定的，即使用户无数据传输，时隙也会被保留，导致信道利用率低。例如，用户录入文本时无需发送数据，其时隙资源会被浪费，且其他用户无法占用。
• 时隙特性：总帧长固定时，用户越多，单个时隙越窄。若每帧时长125µs，1000个用户的单个时隙仅为0.125µs，在突发数据场景（如网页浏览）中效率较低，还可能影响实时应用（如视频通话）的延迟。

三、统计时分复用（STDM）：动态分配的高效改进

统计时分复用（Statistic TDM，STDM）是TDM的优化版本，通过动态分配时隙解决资源浪费问题。

• 核心改进：引入“集中器”作为智能调度中心，仅当用户有数据时才分配时隙，并在时隙中添加用户地址信息，确保数据准确投递
• 工作流程：
  1. 用户数据先暂存在集中器的输入缓存中
  2. 集中器扫描缓存，将有数据的内容依次填入STDM帧
  3. 帧填满或达到发送周期时，通过高速链路发送

• STDM帧结构
  每帧包含N个时隙（N <=用户总数），每个时隙由两部分组成：
  地址段（白色短时隙）：存储用户标识（如2bit地址码）
  数据段：承载用户数据（如8bit字符）

四、波分复用（WDM）：光域中的频分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）本质是“光的频分复用”，利用不同波长的光信号在光纤中并行传输，是光纤通信的核心技术。波分复用（WDM）是频分复用（FDM）技术在光域的革命性延伸。

• 技术演进：

• 工作原理：发送端通过“合波器”将不同波长的光信号合并到一根光纤；接收端通过“分波器”按波长分离信号，原理类似三棱镜对光的分光作用。

• 关键技术：掺饵光纤放大器（EDFA）可直接放大光信号，无需光电转换，在1550nm波长附近提供40-50dB增益，支持120km传输距离，极大提升了光纤通信的效率。
• 容量潜力：一根光缆可包含100根以上光纤，若每根光纤通过DWDM复用16路40Gbit/s信号，总传输速率可达6.4Tbit/s，实现“容量革命”。

五、码分复用（CDM）：以编码区分的共享信道

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）通过唯一编码实现多用户共享信道，用于多用户通信时称为码分多址（CDMA），是无线通信的重要技术。

• 核心原理：所有用户在同一时间、同一频带传输数据，通过独特的“码片序列”区分信号。每个比特时间被划分为m个“码片”（通常m=64或128），用户发送1时传输原始码片序列，发送0时传输反码。
• 正交性保障：不同用户的码片序列必须“正交”（规格化内积为0），确保接收端可通过内积运算分离信号。例如，用户A的码片序列与用户B的序列内积为0，互不干扰。（核心）

同时码片序列还有以下性质：

1. 一个用户的码片向量 和 另一个用户的码片反码的向量 规格化内积也为0
   
2. 一个用户的码片向量 与 自身码片向量的规格化内积为1。（自相关性）
   
3. 一个用户的码片向量 与 自身码片的反码向量的规格化内积为 -1
   

性质使用举例

因为码片序列自相关性为1，互相关性为0，因此每个用户收到叠加信号后只需要与自身码片序列进行规格化内积运算，便可以还原出发给自己的数据

例子1：

例子2：

解码判断：

• 扩频特性：每个比特转换为m个码片，传输速率和带宽均扩大m倍（如m=64时带宽增加64倍，因为相同的时间从原来只发送一个比特变成发送m个码片，那每个码片的频率都提高了），信号频谱接近白噪声，抗干扰和保密性强，最初用于军事通信。
• 优势与应用：容量是GSM的4-5倍，支持低功耗传输，抗多径干扰能力强，广泛应用于3G网络（如CDMA2000）、Wi-Fi（802.11标准）和卫星通信。

六、多址接入技术：从复用到多用户共享

复用技术扩展到多用户场景时，形成“多址接入”技术，典型代表为FDMA和TDMA：

• 频分多址（FDMA）：基于FDM，将总频带划分为子频带分配给不同用户（如手机用户），多用户同时传输且互不干扰。

FDMA与FDM的对比：

• 时分多址（TDMA）：基于TDM，将时间划分为时隙，用户按固定顺序占用时隙，轮流使用同一频带。

TDMA与TDM的对比：

两者均存在固定分配资源的问题，带宽利用率较低，而CDMA通过动态编码实现了更高效的多用户共享【CDMA最复杂也最强大】。

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