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计算机网络笔记(十一)——2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

一、频分复用(FDM)

概念

将总带宽分割成多个不重叠的频率子带,不同信号占用不同频率,并行传输。

原理

  • 信号通过调制技术(如AM/FM)映射到不同频率范围的载波上。
  • 子频带之间有保护间隔防止干扰。

示意图

在这里插入图片描述

特点

  • ✅ 适用于模拟信号(如传统电视/广播)
  • ✅ 固定分配带宽(即使空闲也独占)
  • ❌ 效率低(带宽浪费)

二、时分复用(TDM)

概念

将时间划分为固定长度的时间片(时隙),不同信号轮流占用时隙,串行传输。

原理

  • 每个用户周期性获得时隙(即使无数据也会保留)。
  • 时间帧结构:系统中所有用户完成一次传输为一个帧。

示意图

在这里插入图片描述

特点

  • ✅ 适用于数字信号(如SDH传输网)
  • ✅ 简单、公平分配
  • ❌ 存在空闲时隙(资源浪费)

三、统计时分复用(STDM)

概念

动态分配时隙,只给需要传输的节点分配资源,高效利用带宽。

原理

  • 每个节点有缓冲队列,需要时才申请时隙。
  • 数据包附加地址信息用于分用。

示意图

在这里插入图片描述

特点

  • ✅ 适用于突发性数据(如以太网)
  • ✅ 灵活高效(减少空闲时隙)
  • ❌ 需要额外信令开销(地址位)

四、对比总结

特性FDMTDMSTDM
分配方式固定频率划分固定时段循环分配按需求动态分配
效率低(带宽浪费)中(时隙固定保留)高(按需分配)
复杂度简单中等复杂(需调度逻辑)
典型应用有线电视、广播T1/E1链路、SDH局域网(如共享信道)

五、实践应用场景

  1. FDM:Wi-Fi 5G/2.4G双频段划分。
  2. TDM:手机蜂窝网的TD-LTE标准。
  3. STDM:交换机的动态队列调度。

2.4.2波分复用

波分复用(Wavelength Division Multiplexing)是基于光的频分复用技术,将多个不同波长的光载波信号合并到同一根光纤中传输,从而提高光纤带宽利用率的通信技术。

核心原理

  1. 光波长分离

    • 将光频段划分为多个信道,每个信道使用不同波长(λ₁、λ₂…λₙ)。
    • 发送端通过 合波器(MUX) 合并多路光信号。
    • 接收端通过 分波器(DEMUX) 解复用分离信号。
  2. 传输流程
    在这里插入图片描述

技术分类

类型波长间隔特点应用场景
CWDM20nm成本低,器件简单;容量较小短距离城域网
DWDM≤0.8nm高密度;支持超高速、大容量骨干网、超长距离

关键技术

  1. 合波器/分波器

    • 合波器(Multiplexer):将多波长光信号合并输入同一光纤。
    • 分波器(Demultiplexer):从光纤中分离各波长到对应接收端。
  2. 掺铒光纤放大器(EDFA)

    • 直接在光层放大信号,无需光电转换,支持超长距离传输(如1600公里)。
  3. WDM与传统技术的结合

    • PON网络:通过分光器共享光纤基础设施。
    • OTN(光传输网):封装SDH、以太网等多业务到WDM波长。

性能优势

  • 带宽指数级提升:单模光纤理论带宽达 50THz,DWDM可复用160+波长,单纤容量超10Tbps。
  • 节省光纤资源:复用单根光纤替代多根,降低部署成本。
  • 抗干扰强:各波长相互独立,隔离度高。

应用案例

  1. 骨干网扩容

    • 运营商通过DWDM在已有线路上叠加新波长,无需铺设新光纤。
  2. 数据中心互连

    • CWDM经济高效实现多机房间40G/100G高速互连。

挑战

  • 需高精度光源和滤波器件(DWDM尤其严格)。
  • 色散和非线性效应影响长距离传输,需补偿技术。

总结:波分复用通过“多车道”平行传输大幅提升光纤容量,是构建高速光网络的基础。

2.4.3码分复用

一、码分复用(CDMA)核心概念

  1. 定义
    CDMA (Code Division Multiple Access) 是一种通过编码实现信道共享的技术,所有用户在同一时间使用相同的频段通信,通过唯一的编码序列区分不同用户。

  2. 核心特性

  • 正交性:用户使用相互正交的码片序列
  • 抗干扰性:对窄带干扰不敏感
  • 软容量:用户数增加仅导致噪声水平上升

二、关键技术原理

  1. 扩频通信流程:

在这里插入图片描述

  1. 码片序列特性
  • 码片速率远高于数据速率(如:1.2288Mcps的CDMA2000)
  • 正交性要求:两码片序列规格化内积为0
S∙T = (1/N)Σ(Si×Ti) = 0 

三、CDMA工作过程示例

假设两个用户(A、B)使用正交码片:

  • 发送端

    • 用户A数据+1:[+1 +1 -1 -1](码片:+1 -1)
    • 用户B数据-1:[-1 -1 +1 +1](码片:+1 +1)
    • 信道叠加信号:[0, 0, 0, 0]
  • 接收端(以用户A解码):

    1. 同步本地码片:[+1 -1 +1 -1]
    2. 解扩运算:
(假设接收叠加信号为R)
R∙SA = (0×1) + (0×-1) + (0×1) + (0×-1) = 0 

判决结果=0,超出同步范围说明需要重新同步

四、关键技术指标

参数典型值说明
处理增益10-60dB扩频码速率/信息速率
码片长度64/128/256码片序列周期
多径分辨率<1μsRAKE接收机处理时延
功率控制速率800次/秒开环+闭环控制

五、优势与局限

优势

  • 抗窄带干扰能力强
  • 保密性高(需知具体码型)
  • 支持软切换
  • 频率规划简单

局限

  • 存在远近效应(需要精确功控)
  • 接收复杂度较高
  • 系统容量受码资源限制

六、典型应用场景

45% 25% 15% 15% CDMA应用领域 移动通信 卫星通信 无线局域网 军事通信

七、核心公式总结

  1. 解扩公式
输出信号 = (接收信号)·(本地码片) / 码片长度
  1. 信道容量(Shannon公式):
C = B·log₂(1 + S/(N + I)) 

(B:带宽,S:信号功率,N:噪声,I:干扰)

http://www.xdnf.cn/news/1952.html

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