[系统运维]数据通信与网络：CH6 Bandwidth Utilization Multiplexing and Spreading

CH6 Bandwidth Utilization: Multiplexing and Spreading

$$带宽利用\{\begin{array}{l}multiplexing\\ spreading\end{array}$$

• 复用multiplexing：复用可以获得效率
• 扩频spreading：扩频可以达到保密与抗干扰

6.1 Mulitiplexing

只要连接两台设备的介质带宽比设备间传输所要求的带宽高时，该链路就可以被共享。【实际提供带宽＞传输要求的带宽】

复用multiplexing：允许同时通过一条数据链路传输多个信号的一组技术

• 复用系统的基本形式

n条线路共享一条链路的带宽，n条线路将传输流量送到复用器，复用器将流量组成一个单独的传输流。在接收端，流量被分离器接收，并分解成原来几个独立的传输流。

• 多对一，复用器multiplexer，MUX
• 一对多，分离器demultiplexer，DEMUX

信号进行多路复用的方式：

• 频分复用 frequency-division multiplexing
• 波分复用 wave-division multiplexing
• 时分复用 time-division multiplexing

频分多路复用和波分多路复用用于模拟信号，时分多路复用应用于数字信号。

6.1.1 Frequency-Division Multiplexing(FDM)

FDM是一种模拟技术。

FDM中每个发送设备生成的信号用于调制不同的载波频率。调制后的信号再被合并为一个可以通过链路传输的复合信号。

条件：载波频率之间的频率差必须能够容纳调制信号的带宽。

通道之间狭长的未使用的带宽即防护频带guard band进行分隔，防止信号重叠。

FDM是模拟复用技术，但可以把数字信号转换为模拟信号进行复用。

（1）Multiplexing Process

FDM是一个模拟过程，每一个源端产生频率范围类似的信号。

在复用器中，这些类似信号被调制到不同的载波频率上——$f_1,f_2和f_3$。

然后将调制后的信号合成为一个复合信号，并通过具有足够带宽的介质链路发送出去。

（2) Demultiplexing Process

分离器使用一系列滤波器来将复用信号分解为组成它的各个信号。

每个信号随后被传送到解调器，解调器将他们与载波分离并转发给等待的接收端。

Example

（3）The Analog Carrier System

电话公司为了最大限度地提高基础设施的效率，传统方式是把来自低带宽线路的信号复用到更高带宽的线路上。通过这种方式，许多交换和专用线路可以合并为更少但是容量更大的通道。
$$群\to 超群\to 主群\to 巨群$$

（4）FDM的其他应用

FDM的一个常见应用是AM或者FM广播。

• AM

  每个AM电台需要10kHz带宽，每个电台使用不同的载波频率。平移信号进行复用。

  空气中传播的信号时所有信号的组合。接收方会接收到所有的信号，但是能够滤波想要的接收信号。

• FM

  FM与广播相似，但是FM使用的带宽更高，为88~108MHz，因为每个电台需要更高的带宽：200kHz

FDM的另一个常见应用是电视广播，每一个电视频道的带宽是6MHz

6.1.2 Wave-Division Multiplexing

波分复用是用于具有高数据传输速率的光缆。

波分复用除了光纤通道传输的光信号外，波分在概念上与FDM相同：将不同频率的信号合并。差别是频率特别高。

WDM一种应用是用在同步光纤网络上，其中多条光纤线路进行复用和信号分离。

6.1.3 Time-Division Multiplexing

time-division multiplexing是一个数字化的过程，允许多个连接共享一条高带宽的链路。

TDM在时间上共享，每个连接占用链路的一个时间段。

对链路的分割是时间上的而不是频率上的：

TDM有两种方案：
$$\{\begin{array}{l}同步时分复用synchronousTDM\\ 统计时分复用statisticalTDM\end{array}$$
TDM将不同源端的数字数据合并到一个时间共享的链路上。

（1）Time Slots and Frames

每个输入单元成为一个输出单元。占用一个输出时隙。

在同步TDM中，每个输入连接的全部数据单元组成一个帧。

• n条连接线，那么划分为n个时隙，一个时隙分配给每个单元。
• 如果输入单元持续T秒，那么每个时隙持续时间是T/n，

传输同样多的帧只用了1/n的时间：数据速率变为n倍。

在同步TDM中，链路速率是数据速率的n倍，并且比单元持续时间短n倍。

（2）Interleaving

TDM可以看做两个快速旋转的开关。一个位于复用一侧，一个位于信号分离一侧。两个开关是同步的，但是方向相反。

复用一侧，开关在一个连接前打开时，连接即有机会向连路上发送一个单元，这个过程称为交替(interleaving)

（3）Empty Slots

同步TDM的频率不高。当某一元旦没有数据发送时，输出帧中对应的时隙是空的。

（4）Data Rate Managment

TDM的另一个问题是如何处理输入的数据速率的差异。

当数据速率不同时，可以用三种策略，或者三种策略的组合：
$$?\begin{array}{l}多级复用multilevelmultiplexing\\ 多时隙分配multiple?slotallocation\\ 脉冲填充plusestuffing\end{array}$$

多级复用multilevel multiplexing

当一条输入数据线的数据速率是其他一些输入数据速率的整数倍时，可以采用多级复用。

多时隙分配 multiple - slot allocation

允许对一条输入线分配多个时隙时更有效。

脉冲填充pluse stuffing

（5）Frames synchronization

复用器和分离器之间的同步是一个主要的问题。如果失去同步，那么属于某一个通道的位会被错误的通道接收。

帧指示位framing bit：所以通常在每帧的开始增加一个或者多个同步位。

帧指示位按照某种模式逐帧发生变化，使分离器和输入流同步，准确分离时隙。

（6）Digital Signal Service

电话公司通过一种数字信号的层次结构实现了TDM，称为digital signal, DS。

DS-0，DS-1是服务的名称，为了实现服务，电话公司使用T线路（T lines， T-1到T-4）。这些线路的容量与DS-1到DS-4的数据速率匹配。

T-1线路实现DS-1，T-2线路实现DS-2。DS-0实际没有作为服务提供，被定义为用于参考的基础。

（7）T-Lines for Analog Transmission

（8）E线路

6.1.4 Statistical Time-Division Multiplexing

同步TDM：每一个输入在输出帧中都占有一个时隙。如果某些输入线没有数据发送，那么效率就不高。

statistical TDM：动态分配时隙提高带宽效率，仅当输入线有发送数据，时隙才有意义，并且在输出帧中给与一个时隙。

• 复用器循环的检测每一条输入线
  • 如果输入线有数据发送，则对输入线分配一个时隙
  • 否则跳过这条线检查下一条线

（1）Addressing

• 同步TDM：输出时隙全都由数据占用。
• 统计TDM：输出时隙需要携带数据和目的地址。

6.2 Spread Spectrum

扩频：把来自某些源端的信号组合在一起形成一个更宽的带宽，目的是抗干扰。

spread spectrum增加了冗余部分：扩展原始信号的频带满足每个站的需要
$$B<<B_{ss}$$
扩频需要满足两个原则：

• 对每个站点需要分配的带宽要比它所需要的带宽更大
• 原来的带宽B扩大到$B_{ss}$必须由一个与原来的信号无关的过程来做：信号由源端生成后，扩频才发生

6.2.1 Frequency Hopping Spread Specturm（FHSS）

Frequency Hopping Sread Specturm：用源信号调制M个不同的载波频率。在某一时刻用信号调制1个载波频率，在下一时刻调制另一个频率。虽然调制一次使用一个频率，但是最终用了M个频率。源信号扩展后所占的带宽是$B_{FHSS}>>B$

（1）设计概况

• 伪随机代码生成器对每跳周期$I_h$生成一个k位的模式。
• 频率表使用这个模式查找频率作为这个跳周期的频率
• 通过它传送到频率合成器，频率合成器合成该频率的信号的载波，同时源信号调制这个载波

（2）EXAMPLE

（3）Bandwidth sharing

6.2.2 Direct Sequence Spead Spectrum（DSSS）

DSSS中，每个数据位用扩展编码的n位替代：每一位被编码成n个码片，码片的速率是数据比特率的n倍。

（1）巴克序列 Barker sequence

扩频信号可以提供保密，如果入侵者不知道该编码，无法得知源码。