多路復(fù)用

多路復(fù)用簡介

　　數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳輸媒體的帶寬或容量往往會大于傳輸單一信號的需求，為了有效地利用通信線路，希望一個信道同時傳輸多路信號，這就是所謂的多路復(fù)用技術(shù)（Multiplexing）。采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸，在遠距離傳輸時可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。頻分多路復(fù)用FDM （Frequency Division Multiplexing）和時分多路復(fù)用TDM （Time Division Multiplexing）是兩種最常用的多路復(fù)用技術(shù)。

多路復(fù)用百科

　　數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳輸媒體的帶寬或容量往往會大于傳輸單一信號的需求，為了有效地利用通信線路，希望一個信道同時傳輸多路信號，這就是所謂的多路復(fù)用技術(shù)（Multiplexing）。采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸，在遠距離傳輸時可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。頻分多路復(fù)用FDM （Frequency Division Multiplexing）和時分多路復(fù)用TDM （Time Division Multiplexing）是兩種最常用的多路復(fù)用技術(shù)。

　　定義

　　多路復(fù)用是指以同一傳輸媒質(zhì)（線路）承載多路信號進行通信的方式。各路信號在送往傳輸媒質(zhì)以前，需按一定的規(guī)則進行調(diào)制，以利于各路已調(diào)信號在媒質(zhì)中傳輸，并不致混淆，從而在傳到對方時使信號具有足夠能量，且可用反調(diào)制的方法加以區(qū)分、恢復(fù)成原信號。多路復(fù)用常用的方法有頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用，碼分多路復(fù)用的應(yīng)用也在不斷擴大。

　　多路復(fù)用分類

　　3.1 頻分復(fù)用（FDM） 頻分復(fù)用按頻譜劃分信道，多路基帶信號被調(diào)制在不同的頻譜上。因此它們在頻譜上不會重疊，即在頻率上正交，但在時間上是重疊的，可以同時在一個信道內(nèi)傳輸。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中，發(fā)送端的各路信號m1（t），m2（t），…，mn（t）經(jīng)各自的低通濾波器分別對各路載波f1（t），f2（t），…，fn（t）進行調(diào)制，再由各路帶通濾波器濾出相應(yīng)的邊帶（載波電話通常采用單邊帶調(diào)制），相加后便形成頻分多路信號。在接收端，各路的帶通濾波器將各路信號分開，并分別與各路的載波f1（t），f2（t），…，fn（t）相乘，實現(xiàn)相干解調(diào)，便可恢復(fù)各路信號，實現(xiàn)頻分多路通信。為了構(gòu)造大容量的頻分復(fù)用設(shè)備，現(xiàn)代大容量載波系列的頻譜是按模塊結(jié)構(gòu)由各種基礎(chǔ)群組合而成。根據(jù)國際電報電話咨詢委員會（CCITT）建議，基礎(chǔ)群分為前群、基群、超群和主群。①前群，又稱3路群。它由3個話路經(jīng)變頻后組成。各話路變頻的載頻分別為12，16，20千赫。取上邊帶，得到頻譜為12～24千赫的前群信號。②基群，又稱12路群。它由4個前群經(jīng)變頻后組成。各前群變頻的載頻分別為84，96，108，120千赫。取下邊帶，得到頻譜為 60～108千赫的基群信號?；阂部捎?2個話路經(jīng)一次變頻后組成。③超群，又稱60路群。它由5個基群經(jīng)變頻后組成。各基群變頻的載頻分別為420，468，516，564，612千赫。取下邊帶，得到頻譜為312～552千赫的超群信號。④主群，又稱300路群。它由5個超群經(jīng)變頻后組成。各超群變頻的載頻分別為1364，1612，1860，2108，2356千赫。取下邊帶，得到頻譜為812～2044千赫的主群信號。3個主群可組成 900路的超主群。4個超主群可組成3600路的巨群。頻分復(fù)用的優(yōu)點是信道復(fù)用率高，允許復(fù)用路數(shù)多，分路也很方便。因此，頻分復(fù)用已成為現(xiàn)代模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式，在模擬式遙測、有線通信、微波接力通信和衛(wèi)星通信中得到廣泛應(yīng)用。

　　3.2 時分復(fù)用若媒體能達到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，則可采用時分多路復(fù)用TDM技術(shù)，也即將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復(fù)用的一個信號占用，而不像FDM那樣，同一時間同時發(fā)送多路信號。這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。這種交叉可以是位一級的，也可以是由字節(jié)組成的塊或更大的信息組進行交叉。如圖2.12（b）中的多路復(fù)用器有8個輸入，每個輸入的數(shù)據(jù)速率假設(shè)為9.616ps，那么一條容量達76.8kbps的線路就可容納8個信號源。該圖描述的時分多路復(fù)用四M方案，也稱同步（Synchronous）時分多路復(fù)用TDM，它的時間片是預(yù)先分配好的，而且是固定不變的，因此各種信號源的傳輸定時是同步的。與此相反，異步時分多路復(fù)用1DM允許動態(tài)地分配傳輸媒體的時間片。時分多路復(fù)用TDM不僅僅局限于傳輸數(shù)字信號，也可以同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。另外，對于模擬信號，有時可以把時分多路復(fù)用和頻分多路復(fù)用技術(shù)結(jié)合起來使用。一個傳輸系統(tǒng)，可以頻分成許多條子通道，每條子通道再利用時分多路復(fù)用技術(shù)來細分。在寬帶局域網(wǎng)絡(luò)中可以使用這種混合技術(shù)。

　　3.3 波分復(fù)用光的波分多路復(fù)用是指在一根光纖中傳輸多種不同波長的光信號，由于波長不同，所以各路光信號互不干擾，最后再用波長解復(fù)用器將各路波長分解出來。所選器件應(yīng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、功耗小、體積小、重量輕、器件可替換性強等優(yōu)點。光源輸出的光信號帶寬為40nm，在此寬帶基礎(chǔ)上可實現(xiàn)多個通道傳感器的大規(guī)模復(fù)用。

　　3.4 碼分多址碼分多址通信原理：碼分多址（CDMA，Code－DivisionMultiple Access）通信系統(tǒng)中，用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率或時隙的不同來區(qū)分，而是用各自不同的編碼序列來區(qū)分，或者說，靠信號的不同波形來區(qū)分。如果從頻域或時域來觀察，多個CDMA信號是互相重疊的。接收機用相關(guān)器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預(yù)定碼型的信號。其它使用不同碼型的信號因為和接收機本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲和干擾，通常稱之為多址干擾。在CDMA蜂窩通信系統(tǒng)中，用戶之間的信息傳輸是由基站進行轉(zhuǎn)發(fā)和控制的。為了實現(xiàn)雙工通信，正向傳輸和反向傳輸各使用一個頻率，即通常所謂的頻分雙工。無論正向傳輸或反向傳輸，除去傳輸業(yè)務(wù)信息外，還必須傳送相應(yīng)的控制信息。為了傳送不同的信息，需要設(shè)置相應(yīng)的信道。但是，CDMA通信系統(tǒng)既不分頻道又不分時隙，無論傳送何種信息的信道都靠采用不同的碼型來區(qū)分。 類似的信道屬于邏輯信道，這些邏輯信道無論從頻域或者時域來看都是相互重疊的，或者說它們均占用相同的頻段和時間。更為詳細的、更為系統(tǒng)的介紹CDMA是碼分多址（Code Division Multiple Access）技術(shù)的縮寫，是近年來在數(shù)字移動通信進程中出現(xiàn)的一種先進的無線擴頻通信技術(shù)，它能夠滿足市場對移動通信容量和品質(zhì)的高要求，具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點，可以大量減少投資和降低運營成本。CDMA最早由美國高通公司推出，近幾年由于技術(shù)和市場等多種因素作用得以迅速發(fā)展，目前全球用戶已突破5000萬，我國也在北京、上海等城市開通了CDMA電話網(wǎng)。

　　3.5 空分多址空分多址　空分多址（SDMA），也稱為多光束頻率復(fù)用。它通過標記不同方位的相同頻率的天線光束來進行頻率的復(fù)用。SDMA系統(tǒng)可使系統(tǒng)容量成倍增加，使得系統(tǒng)在有限的頻譜內(nèi)可以支持更多的用戶，從而成倍的提高頻譜使用效率。

　　技術(shù)持點

　　1．CDMA是擴頻通信的一種，他具有擴頻通信的以下特點：（1）抗干擾能力強。這是擴頻通信的基本特點，是所有通信方式無法比擬的。（2）寬帶傳輸，抗衰落能力強。（3）由于采用寬帶傳輸，在信道中傳輸?shù)挠杏眯盘柕墓β时雀蓴_信號的功率低得多，因此信號好像隱蔽在噪聲中；即功率話密度比較低，有利于信號隱蔽。（4）利用擴頻碼的相關(guān)性來獲取用戶的信息，抗截獲的能力強。2．在擴頻CDMA通信系統(tǒng)中，由于采用了新的關(guān)鍵技術(shù)而具有一些新的特點：（1）采用了多種分集方式。除了傳統(tǒng)的空間分集外。由于是寬帶傳輸起到了頻率分集的作用，同時在基站和移動臺采用了RAKE接收機技術(shù)，相當于時間分集的作用。（2）采用了話音激活技術(shù)和扇區(qū)化技術(shù)。因為CDMA系統(tǒng)的容量直接與所受的干擾有關(guān)，采用話音激活和扇區(qū)化技術(shù)可以減少干擾，可以使整個系統(tǒng)的容量增大。（3）采用了移動臺輔助的軟切換。通過它可以實現(xiàn)無縫切換，保證了通話的連續(xù)性，減少了掉話的可能性。處于切換區(qū)域的移動臺通過分集接收多個基站的信號，可以減低自身的發(fā)射功率，從而減少了對周圍基站的干擾，這樣有利于提高反向聯(lián)路的容量和覆蓋范圍。（4）采用了功率控制技術(shù)，這樣降低了平準發(fā)射功率。（5）具有軟容量特性。可以在話務(wù)量高峰期通過提高誤幀率來增加可以用的信道數(shù)。當相鄰小區(qū)的負荷一輕一重時，負荷重的小區(qū)可以通過減少導(dǎo)頻的發(fā)射功率，使本小區(qū)的邊緣用戶由于導(dǎo)頻強度的不足而切換到相臨小區(qū)，使負擔分擔。（6）兼容性好。由于CDMA的帶寬很大，功率分布在廣闊的頻譜上，功率話密度低，對窄帶模擬系統(tǒng)的干擾小，因此兩者可以共存。即兼容性好。（7）COMA的頻率利用率高，不需頻率規(guī)劃，這也是CDMA的特點之一。（8）CDMA高效率的OCELP話音編碼。話音編碼技術(shù)是數(shù)字通信中的一個重要課題。OCELP是利用碼表矢量量化差值的信號，并根據(jù)語音激活的程度產(chǎn)生一個輸出速率可變的信號。這種編碼方式被認為是目前效率最高的編碼技術(shù)，在保證有較好話音質(zhì)量的前提下，大大提高了系統(tǒng)的容量。這種聲碼器具有8kbit/S和13kbit/S兩種速率的序列。8kbit/S序列從1.2kbit/s到9.6kbit/s可變，13kbit/S序列則從1.8kbt/s到14.4kbt/S可變。最近，又有一種8kbit/sEVRC型編碼器問世，也具有8kbit/s聲碼器容量大的特點，話音質(zhì)量也有了明顯的提高。

　　問題

　?。?）在小區(qū)的規(guī)劃問題上，雖然CDMA無需頻率規(guī)劃，但它的小區(qū)規(guī)劃卻并非十分容易。由于所有的基站都使用同一個頻率，相互之間是存在干擾的，如果小區(qū)規(guī)劃做得不好，將直接影響話音質(zhì)量和使系統(tǒng)容量打折扣，因而在進行站距、天線高度等方面的設(shè)計時應(yīng)當小心謹慎。（2）其次，在標準的問題上，CDMA的標準并不十分完善。許多標準都仍在研究制定之中。如A接口，目前各廠家有的提供IS一634版本0，有的支持Is－634版本。還有的使用Is－634/TSB－80。因此對于系統(tǒng)運營商來說，選擇統(tǒng)一的A接口是比較困難的。（3）由于功率控制的誤差所導(dǎo)致的系統(tǒng)容量的減少。

　　計算機網(wǎng)絡(luò)運輸層之多路復(fù)用與多路分解

　　一、什么是多路復(fù)用和多路分解

　　我們知道，在網(wǎng)絡(luò)上主機與主機之間的通信，實質(zhì)上是主機上運行的應(yīng)用進程之間的通信。例如，當你通過Http上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁時，實質(zhì)上是你所訪問的主機的服務(wù)器進程與你本機的瀏覽器進程在進行通信。試想一下，當你在上網(wǎng)的同時，還掛著QQ，還使用ftp下載大文件，這時就有三個網(wǎng)絡(luò)上的進程與你的主機上的三個進程進行通信，那么系統(tǒng)是怎么樣正確地把接收到的數(shù)據(jù)定位到指定的進程中的呢？也就是說，系統(tǒng)是怎么把從ftp服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)交付到ftp客戶端，而不把這些數(shù)據(jù)交付到你的QQ上的呢？反過來考慮，系統(tǒng)又是如何精確地把來自各個應(yīng)用進程的數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上指定上的主機（服務(wù)器）上的對應(yīng)進程的呢？這就是多路分解與多路復(fù)用的作用了。

　　為了說明這個問題，先來補充一下操作系統(tǒng)方面的知識，以Linux對文件和設(shè)備的管理和使用方式為例。

　　為了方便資源的使用，提高機器的性能、利用率和穩(wěn)定性等等原因，我們的計算機都有一層軟件叫做操作系統(tǒng)，它用于幫我們管理計算機可以使用的資源，當我們的程序要使用一個資源的時候，可以向操作系統(tǒng)申請，再由操作系統(tǒng)為我們的程序分配和管理資源。通常當我們要訪問一個內(nèi)核設(shè)備或文件時，程序可以調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，系統(tǒng)就會為我們打開設(shè)備或文件，然后返回一個文件描述符fd（或稱為ID，是一個整數(shù)），我們要訪問該設(shè)備或文件，只能通過該文件描述符?？梢哉J為該編號對應(yīng)著打開的文件或設(shè)備。

　　而當我們的程序要使用網(wǎng)絡(luò)時，要使用到對應(yīng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核的操作和網(wǎng)卡設(shè)備，所以我們可以向操作系統(tǒng)申請，然后系統(tǒng)會為我們創(chuàng)建一個套接字Socket，并返回這個Socket的ID，以后我們的程序要使用網(wǎng)絡(luò)資源，只要向這個Socket的編號ID操作即可。而我們的每一個網(wǎng)絡(luò)通信的進程至少對應(yīng)著一個Socket。向Socket的ID中寫數(shù)據(jù)，相當于向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，向Socket中讀數(shù)據(jù)，相當于接收數(shù)據(jù)。而且這些套接字都有唯一標識符——端口號。

　　有了上面的了解后，再來說說什么是多路分解和多路復(fù)用。

　　每個運輸層的報文段中設(shè)置了幾個字段，包括源端口號和目的端口號等。多路分解就是，在接收端，運輸層檢查這些字段并標識出接收套接字，然后將該報文定向到該套接字。其工作方式可以簡單地認為是這樣的，主機上的每個每個套接字被分配一個端口號，當報文到達主機時，運輸層檢查報文段中的目的端口號，并將其定向到相應(yīng)的套接字。

　　多路復(fù)用就是從源主機的不同套接字中收集數(shù)據(jù)塊，并為每個數(shù)據(jù)塊封裝上首部信息從而生成報文段，然后將報文段傳遞到網(wǎng)絡(luò)層中去。

　　二、無連接的多路復(fù)用和多路分解

　　在運輸層，無連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸是通過UDP來實現(xiàn)的。UDP報文中只有源端口號和目的端口號，一個UDP套接字是由一個含有目的IP地址和目的端口號的二元組來全面標識的。在客戶端，源端口號是客戶進程套接字的端口號，目的端口號是服務(wù)器的端口號。而在服務(wù)器端，源端口號是服務(wù)器的創(chuàng)建的套接字的端口號，而目的端口號是客戶端的套接字的端口號。

　　例如主機A產(chǎn)生了一個UDP報文段，報文段中就會包括源端口號（11111）、目的端口號（22222）、程序數(shù)據(jù)（還有兩個其他的值，在這里我們不關(guān)心）。然后，運輸層將生成的報文段交給網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層將其放到一個IP數(shù)據(jù)報中，并提供盡力而為的交付，將其發(fā)送到主機B中。如果該報文到達主機B，主機B運輸層就會檢查該報文的端口號，并將該報文段傳遞給套接字的端口號為接收到的報文段的目的端口號（22222）的套接字。從而實現(xiàn)了進程間的網(wǎng)絡(luò)通信。而源端口號的作用是為了讓主機B能向主機A發(fā)送信息的，也就是說，當主機B在接收到主機A的數(shù)據(jù)后，要向主機A發(fā)送一個回應(yīng)時，主機B發(fā)送的報文段的目的端口號就是11111.

　　注意：我們看到使用UDP來傳輸報文段時，一個UDP套接字是由一個含有目的IP地址和目的端口號的二元組來全面標識的。因此，如果兩個UDP報文段有不同的源IP地址和源端口，但具有相同的IP地址和目的端口號，那么這兩個報文段將通過相同的目的端口號定向到相同的目的進程。這里沒有過多地說明IP地址，是因為IP地址是網(wǎng)絡(luò)層的知識，所以沒有提及，我們現(xiàn)在只須知道，IP地址對應(yīng)著一臺主機，而端口號對應(yīng)著一臺主機上的一個進程（或套接字）。

　　三、面向連接的多路復(fù)用和多路分解

　　從上面的解說中，我們可以知道，網(wǎng)絡(luò)上主機間的進程間通信，實質(zhì)上是通過套接字來實現(xiàn)的。在運輸層中面向連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸多使用TCP，而TCP套接字和UDP套接字之間有一個細微的差別，就是，TCP套接字是由一個四元組（源IP地址、源端口號，目的IP地址，目的端口號）來標識的。這樣，當一個TCP報文段從網(wǎng)絡(luò)到達一臺主機時，主機會使用全部4個值來將報文段定向，即多路分解到相應(yīng)的套接字。

　　與UDP不同的是，兩個具有不同源IP或源端口號的到達的TCP報文段將被重定向到兩個不同的套接字。

　　盡管如此，而TCP的多路利用和多路分解的工作原理與無連接的UDP的多路復(fù)用和多路分解的原理還是大致一樣的。

　　想想為什么TCP的多路復(fù)用和多路分解要這樣設(shè)計呢？個人認為，這是因為TCP和UDP對待接收到的數(shù)據(jù)的處理方式不同所致的。我們以服務(wù)器上的TCP套接字和UDP套接字為例，假定服務(wù)器接收客戶端的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送回客戶端。

　　當一個UDP服務(wù)器接收到一個UDP報文段時，它會根據(jù)收到的UDP報文段的源IP和源端口號，把數(shù)據(jù)發(fā)送回客戶端，它并不需要創(chuàng)建一個新的套接字來處理該報文段；

　　而對于一個TCP服務(wù)器，當它接受一個連接時，它會產(chǎn)生一個新的套接字，然后通過新的套接字來與客戶端通信，也就是通過新的套接字來把數(shù)據(jù)發(fā)送回給客戶端。由于每一個連接都會產(chǎn)生一個新的套接字，所以具有不同的源IP或源端口號的連接就是一個不同的連接，對應(yīng)著產(chǎn)生的新的不同的套接字。

　　試想一下，如果TCP套接字也是使用像UDP那樣的只用源端口號和目的端口號來完全標識一個套接字，那么當客戶機A有一個Http連接時，該TCP報文的目的端口號為80，目的IP地址為TCP服務(wù)的IP地址。TCP服務(wù)器產(chǎn)生一個新的套接字來處理該請求，此時，客戶機B又有一個Http連接，TCP報文的目的端口號也為80，目的IP地址也為TCP服務(wù)的IP地址。而TCP套接字也是使用像UDP那樣，兩個具有不同的源Ip或源端口號但具有相同目的IP和目的端口的報文段定位到同一個套接字中，那么這個客戶機B的TCP報文段則會多路分解到客戶機A的套接字上，而該套接字并不應(yīng)該被客戶機B的Http連接使用。