多路复用

多路复用简介

　　数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往会大于传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术（Multiplexing）。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM （Frequency Division Multiplexing）和时分多路复用TDM （Time Division Multiplexing）是两种最常用的多路复用技术。

多路复用百科

　　数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往会大于传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术（Multiplexing）。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM （Frequency Division Multiplexing）和时分多路复用TDM （Time Division Multiplexing）是两种最常用的多路复用技术。

　　定义

　　多路复用是指以同一传输媒质（线路）承载多路信号进行通信的方式。各路信号在送往传输媒质以前，需按一定的规则进行调制，以利于各路已调信号在媒质中传输，并不致混淆，从而在传到对方时使信号具有足够能量，且可用反调制的方法加以区分、恢复成原信号。多路复用常用的方法有频分多路复用和时分多路复用，码分多路复用的应用也在不断扩大。

　　多路复用分类

　　3.1 频分复用（FDM） 频分复用按频谱划分信道，多路基带信号被调制在不同的频谱上。因此它们在频谱上不会重叠，即在频率上正交，但在时间上是重叠的，可以同时在一个信道内传输。在频分复用系统中，发送端的各路信号m1（t），m2（t），…，mn（t）经各自的低通滤波器分别对各路载波f1（t），f2（t），…，fn（t）进行调制，再由各路带通滤波器滤出相应的边带（载波电话通常采用单边带调制），相加后便形成频分多路信号。在接收端，各路的带通滤波器将各路信号分开，并分别与各路的载波f1（t），f2（t），…，fn（t）相乘，实现相干解调，便可恢复各路信号，实现频分多路通信。为了构造大容量的频分复用设备，现代大容量载波系列的频谱是按模块结构由各种基础群组合而成。根据国际电报电话咨询委员会（CCITT）建议，基础群分为前群、基群、超群和主群。①前群，又称3路群。它由3个话路经变频后组成。各话路变频的载频分别为12，16，20千赫。取上边带，得到频谱为12～24千赫的前群信号。②基群，又称12路群。它由4个前群经变频后组成。各前群变频的载频分别为84，96，108，120千赫。取下边带，得到频谱为 60～108千赫的基群信号。基群也可由12个话路经一次变频后组成。③超群，又称60路群。它由5个基群经变频后组成。各基群变频的载频分别为420，468，516，564，612千赫。取下边带，得到频谱为312～552千赫的超群信号。④主群，又称300路群。它由5个超群经变频后组成。各超群变频的载频分别为1364，1612，1860，2108，2356千赫。取下边带，得到频谱为812～2044千赫的主群信号。3个主群可组成 900路的超主群。4个超主群可组成3600路的巨群。频分复用的优点是信道复用率高，允许复用路数多，分路也很方便。因此，频分复用已成为现代模拟通信中最主要的一种复用方式，在模拟式遥测、有线通信、微波接力通信和卫星通信中得到广泛应用。

　　3.2 时分复用若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可采用时分多路复用TDM技术，也即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。如图2.12（b）中的多路复用器有8个输入，每个输入的数据速率假设为9.616ps，那么一条容量达76.8kbps的线路就可容纳8个信号源。该图描述的时分多路复用四M方案，也称同步（Synchronous）时分多路复用TDM，它的时间片是预先分配好的，而且是固定不变的，因此各种信号源的传输定时是同步的。与此相反，异步时分多路复用1DM允许动态地分配传输媒体的时间片。时分多路复用TDM不仅仅局限于传输数字信号，也可以同时交叉传输模拟信号。另外，对于模拟信号，有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。一个传输系统，可以频分成许多条子通道，每条子通道再利用时分多路复用技术来细分。在宽带局域网络中可以使用这种混合技术。

　　3.3 波分复用光的波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。所选器件应具有灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、功耗小、体积小、重量轻、器件可替换性强等优点。光源输出的光信号带宽为40nm，在此宽带基础上可实现多个通道传感器的大规模复用。

　　3.4 码分多址码分多址通信原理：码分多址（CDMA，Code－DivisionMultiple Access）通信系统中，用户传输信息所用的信号不是靠频率或时隙的不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。 类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。更为详细的、更为系统的介绍CDMA是码分多址（Code Division Multiple Access）技术的缩写，是近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术，它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA最早由美国高通公司推出，近几年由于技术和市场等多种因素作用得以迅速发展，目前全球用户已突破5000万，我国也在北京、上海等城市开通了CDMA电话网。

　　3.5 空分多址空分多址　空分多址（SDMA），也称为多光束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的天线光束来进行频率的复用。SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍的提高频谱使用效率。

　　技术持点

　　1．CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：（1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。（2）宽带传输，抗衰落能力强。（3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。（4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。2．在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点：（1）采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。（2）采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。（3）采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。（4）采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。（5）具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。（6）兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。（7）COMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。（8）CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/S和13kbit/S两种速率的序列。8kbit/S序列从1.2kbit/s到9.6kbit/s可变，13kbit/S序列则从1.8kbt/s到14.4kbt/S可变。最近，又有一种8kbit/sEVRC型编码器问世，也具有8kbit/s声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高。

　　问题

　　（1）在小区的规划问题上，虽然CDMA无需频率规划，但它的小区规划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率，相互之间是存在干扰的，如果小区规划做得不好，将直接影响话音质量和使系统容量打折扣，因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。（2）其次，在标准的问题上，CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究制定之中。如A接口，目前各厂家有的提供IS一634版本0，有的支持Is－634版本。还有的使用Is－634/TSB－80。因此对于系统运营商来说，选择统一的A接口是比较困难的。（3）由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。

　　计算机网络运输层之多路复用与多路分解

　　一、什么是多路复用和多路分解

　　我们知道，在网络上主机与主机之间的通信，实质上是主机上运行的应用进程之间的通信。例如，当你通过Http上网浏览网页时，实质上是你所访问的主机的服务器进程与你本机的浏览器进程在进行通信。试想一下，当你在上网的同时，还挂着QQ，还使用ftp下载大文件，这时就有三个网络上的进程与你的主机上的三个进程进行通信，那么系统是怎么样正确地把接收到的数据定位到指定的进程中的呢？也就是说，系统是怎么把从ftp服务器发送过来的数据交付到ftp客户端，而不把这些数据交付到你的QQ上的呢？反过来考虑，系统又是如何精确地把来自各个应用进程的数据发到网络上指定上的主机（服务器）上的对应进程的呢？这就是多路分解与多路复用的作用了。

　　为了说明这个问题，先来补充一下操作系统方面的知识，以Linux对文件和设备的管理和使用方式为例。

　　为了方便资源的使用，提高机器的性能、利用率和稳定性等等原因，我们的计算机都有一层软件叫做操作系统，它用于帮我们管理计算机可以使用的资源，当我们的程序要使用一个资源的时候，可以向操作系统申请，再由操作系统为我们的程序分配和管理资源。通常当我们要访问一个内核设备或文件时，程序可以调用系统函数，系统就会为我们打开设备或文件，然后返回一个文件描述符fd（或称为ID，是一个整数），我们要访问该设备或文件，只能通过该文件描述符。可以认为该编号对应着打开的文件或设备。

　　而当我们的程序要使用网络时，要使用到对应的操作系统内核的操作和网卡设备，所以我们可以向操作系统申请，然后系统会为我们创建一个套接字Socket，并返回这个Socket的ID，以后我们的程序要使用网络资源，只要向这个Socket的编号ID操作即可。而我们的每一个网络通信的进程至少对应着一个Socket。向Socket的ID中写数据，相当于向网络发送数据，向Socket中读数据，相当于接收数据。而且这些套接字都有唯一标识符——端口号。

　　有了上面的了解后，再来说说什么是多路分解和多路复用。

　　每个运输层的报文段中设置了几个字段，包括源端口号和目的端口号等。多路分解就是，在接收端，运输层检查这些字段并标识出接收套接字，然后将该报文定向到该套接字。其工作方式可以简单地认为是这样的，主机上的每个每个套接字被分配一个端口号，当报文到达主机时，运输层检查报文段中的目的端口号，并将其定向到相应的套接字。

　　多路复用就是从源主机的不同套接字中收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息从而生成报文段，然后将报文段传递到网络层中去。

　　二、无连接的多路复用和多路分解

　　在运输层，无连接的网络传输是通过UDP来实现的。UDP报文中只有源端口号和目的端口号，一个UDP套接字是由一个含有目的IP地址和目的端口号的二元组来全面标识的。在客户端，源端口号是客户进程套接字的端口号，目的端口号是服务器的端口号。而在服务器端，源端口号是服务器的创建的套接字的端口号，而目的端口号是客户端的套接字的端口号。

　　例如主机A产生了一个UDP报文段，报文段中就会包括源端口号（11111）、目的端口号（22222）、程序数据（还有两个其他的值，在这里我们不关心）。然后，运输层将生成的报文段交给网络层。网络层将其放到一个IP数据报中，并提供尽力而为的交付，将其发送到主机B中。如果该报文到达主机B，主机B运输层就会检查该报文的端口号，并将该报文段传递给套接字的端口号为接收到的报文段的目的端口号（22222）的套接字。从而实现了进程间的网络通信。而源端口号的作用是为了让主机B能向主机A发送信息的，也就是说，当主机B在接收到主机A的数据后，要向主机A发送一个回应时，主机B发送的报文段的目的端口号就是11111.

　　注意：我们看到使用UDP来传输报文段时，一个UDP套接字是由一个含有目的IP地址和目的端口号的二元组来全面标识的。因此，如果两个UDP报文段有不同的源IP地址和源端口，但具有相同的IP地址和目的端口号，那么这两个报文段将通过相同的目的端口号定向到相同的目的进程。这里没有过多地说明IP地址，是因为IP地址是网络层的知识，所以没有提及，我们现在只须知道，IP地址对应着一台主机，而端口号对应着一台主机上的一个进程（或套接字）。

　　三、面向连接的多路复用和多路分解

　　从上面的解说中，我们可以知道，网络上主机间的进程间通信，实质上是通过套接字来实现的。在运输层中面向连接的网络传输多使用TCP，而TCP套接字和UDP套接字之间有一个细微的差别，就是，TCP套接字是由一个四元组（源IP地址、源端口号，目的IP地址，目的端口号）来标识的。这样，当一个TCP报文段从网络到达一台主机时，主机会使用全部4个值来将报文段定向，即多路分解到相应的套接字。

　　与UDP不同的是，两个具有不同源IP或源端口号的到达的TCP报文段将被重定向到两个不同的套接字。

　　尽管如此，而TCP的多路利用和多路分解的工作原理与无连接的UDP的多路复用和多路分解的原理还是大致一样的。

　　想想为什么TCP的多路复用和多路分解要这样设计呢？个人认为，这是因为TCP和UDP对待接收到的数据的处理方式不同所致的。我们以服务器上的TCP套接字和UDP套接字为例，假定服务器接收客户端的数据，并把数据发送回客户端。

　　当一个UDP服务器接收到一个UDP报文段时，它会根据收到的UDP报文段的源IP和源端口号，把数据发送回客户端，它并不需要创建一个新的套接字来处理该报文段；

　　而对于一个TCP服务器，当它接受一个连接时，它会产生一个新的套接字，然后通过新的套接字来与客户端通信，也就是通过新的套接字来把数据发送回给客户端。由于每一个连接都会产生一个新的套接字，所以具有不同的源IP或源端口号的连接就是一个不同的连接，对应着产生的新的不同的套接字。

　　试想一下，如果TCP套接字也是使用像UDP那样的只用源端口号和目的端口号来完全标识一个套接字，那么当客户机A有一个Http连接时，该TCP报文的目的端口号为80，目的IP地址为TCP服务的IP地址。TCP服务器产生一个新的套接字来处理该请求，此时，客户机B又有一个Http连接，TCP报文的目的端口号也为80，目的IP地址也为TCP服务的IP地址。而TCP套接字也是使用像UDP那样，两个具有不同的源Ip或源端口号但具有相同目的IP和目的端口的报文段定位到同一个套接字中，那么这个客户机B的TCP报文段则会多路分解到客户机A的套接字上，而该套接字并不应该被客户机B的Http连接使用。