单/半双/全双工和多路复用技术概要

蔚落 2021-09-21 08:50 536阅读 0赞

单工、半双工和全双工是电信计算机网络中的三种通信信道，这些通信信道可以提供信息传达的途径。

**通信信道（Channels of communicationl）**

通信信道是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为：物理信道和逻辑信道。物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑通路，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。

**单工**

数据传输只支持数据在一个方向上传输；在同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信，举例：电视，广播。

**半双工**

数据传输允许数据在两个方向上传输，但是,在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；在同一时间只可以有一方接受或发送信息，可以实现双向通信。举例：对讲机。

**全双工**

数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力；在同一时间可以同时接受和发送信息，实现双向通信。举例：电话通信。

网卡的全双工（Full Duplex）是指网卡在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。

**多路复用技术（Multiplexing）**

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。

通信信道可以是物理传输介质或通过多路复用介质的逻辑连接。物理传输介质是指能够传播能量波的材料物质，例如：数据通信中的导线。并且逻辑连接通常指电路交换连接或分组模式虚拟电路连接，例如：无线电信通道。由于通信信道的帮助，信息可以无障碍地传输。

**复用的概念是从提高通信的有效性角度提出来的，其主要目的是为了有效地利用带宽。多路复用通常分为：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多址和空分多址。**

**1、频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）**

频分多路复用的基本原理是：如果每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即各个信道所占用的频带不相互重叠。相邻信道之间用“警戒频带”隔离，那么每个信道就能独立地传输一路信号。

频分多路复用的主要特点是，信号被划分成若干通道（频道、波段），每个通道互不重叠，独立进行数据传递。频分多路复用在无线电广播和电视领域中应用较多。ADSL（非对称数字用户环路）也是一个典型的频分多路复用。ADSL用频分多路复用的方法，在PSTN（公共交换电话网络）使用的双绞线上划分出3个频段：0－4kHz用来传送传统的语音信号；20－50kHz用来传送计算机上载的数据信息；150－500kHz或140－1100kHz用来传送从服务器上下载的数据信息。

**2、时分多路复用（TDM,Time Division Multiplexing）**

时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用的。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片。

目前，应用最广泛的时分多路复用是贝尔系统的T1载波。T1载波是将24路音频信道复用在一条通信线路上，每路音频信号在送到多路复用器之前，要通过一个脉冲编码调制（PCM,Pulse Code Modulation）编码器，编码器每秒取样8000次。24路信号的每一路，轮流将一个字节插入到帧中，每个字节的长度为8bit,其中7bit是数据位，1bit用于信道控制。每帧由24\*8＝192bit组成，附加1bit作为帧的开始标志位，所以每帧共有193bit 。由于发送一帧需要125ms，一秒钟可以发送8000帧。因此T1载波的数据传输速率为：193bit\*8000/s=1544000bps=1544kbps=1.544Mbps

**3、波分多路复用（WDM,Wayelength Division Multiplexing）**

波分复用就是在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤传输能力。也可以这样认为：WDM是FDM应用于光纤信道的一个变例。如果让不同波长的光信号在同一根光纤上传略而互不干扰，利用多个波长适当错开的同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就可以大大增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息，因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保持每一个不同波长的所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。

将一系列载有信息的不同波长的光载波，在光频域内以一至几百纳米的波长间隔合在一起沿单根光纤传输，在接收端再用一定的方法，将各个不同波长的光载波分开。在光纤的工作窗口上安排100个波长不同的光源，同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就能使光纤通信系统的容量提高100倍。

**4、码分多址（CDMA,Code Division Multiple Access）**

码分多址是采用地址和时间、频率共同区分信道的方式。CDMA的特征是每个用户具有特定的地址码，而地址码之间相互具有正交性，因此各用户信息的发射信号在频率、时间和空间上都可能重叠，从而使有限的频率资源得到利用。

CDMA是在扩频技术上发展起来的无线通信技术，即将需要传送的具有一定信号的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端也使用完全相同的伪随机码，对接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。不同的移动台（或手机）可以使用同一个频率，但是每个移动台都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“码序列”都不相同，因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台，所以各个用户相互之间也没有干扰，从而达到了多路复用的目的。

**5、空分多址（SDMA,Space Division Multiple Access）**

空分多址技术将空间分割构成不同的信道，从而实现频率的重复使用，达到信道增容的目的。SDMA系统的处理程序如下：

（1）系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将其转换成数字形式，并存储在内存中。

（2）计算机中的SDMA处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户、干扰源及其所在的位置。

（3）处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。借助这种策略，每位用户的信号接收质量将大大提高，而其他用户的信号或干扰信号则会遭到屏蔽。

（4）系统将进行模拟计算，使天线陈列可以有选择地向空间发送信号。在此基础上，每位用户的信号都可以通过单独的通信信道－空间信道实现高效的传输。

（5）在上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。

利用上述流程，SDMA系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码分双向空间信道，每一条信道都可以完全获得整个陈列的增益和抗干扰功能。从理论上而言，带m个单元的阵列能够在每条普通信道上支持m条空间信道。但在实际应用中支持的信道数量将略低于这个数目，具体情况则取决于环境。由此可见，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，从而成倍地提高频谱使用效率。

近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移到的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM（移动通信技术）和CDMA（是区别于3G的窄带CDMA）两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这3种多址技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术（SDMA）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大的拓宽了频谱的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能，并将移动通信技术引入了一个更为崭新的领域。