计算机网络中的多路复用是什么

什么是复用？

多路复用是一种将多个数据流组合并通过单一介质发送的技术。组合数据流称为多路复用，用于多路复用的硬件称为多路复用器。

多路复用是通过称为多路复用器（MUX）的设备实现的，该设备将n条输入线组合生成一条输出线。多路复用遵循多对一，即n条输入线和一条输出线。

尽管网络使用许多不同的多路复用策略，但它们在概念上都以相似的方式运行。多路复用器（mux）接收不同的网络信号并将它们组合以创建复合信号。

然后，该复合信号通过共享介质发送。到达预期位置后，复合信号被解复用器（也称为demux）分离成其组成信号，并输出到不同的线路进行进一步处理。

解复用是通过接收端的解复用器（DEMUX）设备实现的。DEMUX将信号分离成组成信号（一个输入和n个输出）。因此，我们可以说解复用遵循一对多方法。

为什么要多路复用？

• 传输介质将信号从发送方发送到接收方。介质一次只能有一个信号。
• 如果多个信号要共享一个介质，那么介质必须被分割，以便每个信号都获得可用带宽的一部分。例如，如果有10个信号，介质的带宽是100个单位，那么每个信号共享10个单位。
• 当多个信号共享一个公共介质时，可能会发生冲突。多路复用概念用于避免此类冲突。
• 传输服务非常昂贵。

多路复用的目的是什么？

• 许多不同的企业都采用多路复用来实现数字和模拟通信。它最初于19世纪70年代开发，用于辅助电报，此后已发展成为所有形式通信（包括电话、电视和广播）的主流技术。此外，它还经常用于计算机网络中，通过广域网（WAN）发送多个信号。
• 组织在其网络上使用多路复用的原因有两个
• 多路复用仍然需要共享介质来提高昂贵或有限网络资源的利用率，并允许网络设备相互通信，而无需在每对设备之间建立专用连接。例如，多路复用可以在卫星上行链路或连接大都市的电缆或光纤链上发送不同的信号。

复用的历史

• 多路复用广泛应用于电信领域，其中通过一根电线承载多个电话呼叫。
• 多路复用起源于19世纪70年代初的电报，现在广泛应用于通信领域。
• George Owen Squier于1910年开发了电话载波多路复用。

多路复用的工作原理

多路复用将多个信号组合成一个信号，以便通过单一介质（例如电话线）传输。输入信号可以是数字或模拟的，具体取决于发送方。多路复用通过降低传输成本，使消息能够更有效地通过特定的通信路径发送。下图可以简单地理解多路复用的操作。

• 在发送端使用设备多路复用器（MUX）将n条输入线组合成一条输出线。多路复用采用多对一的方法，具有n个输入和一条输出线。
• 在接收端，解复用器（DEMUX）将信号分解为各自的信号（一个输入和n个输出）。因此，解复用采用一对多方法。

多路复用的优点

• 成本更低：多路复用减少了所需的通信信道数量，从而节省了设备、维护和布线成本。
• 效率提高：这意味着可以在更短的时间内发送更多数据。多路复用通过允许在单个信道上同时传输多个信号来提高通信系统的效率。
• 灵活性：多路复用允许通过单个信道传输各种信号，包括数据、视频和音频。因此，通信系统更具适应性，更能响应不断变化的需求。
• 质量提升：通过降低噪声和干扰，多路复用可以提高传输信号的质量。这意味着传输过程中信号损坏或丢失的可能性更低。

多路复用的缺点

• 干扰的可能性：多路复用通过将多个信号混合到单个信道中，增加了信号干扰的可能性。这可能导致传输错误和信号质量下降。
• 设计复杂：对于不熟悉电子设备的人来说，多路复用系统的设计可能令人困惑且复杂。这可能会使故障排除和解决潜在问题变得更加复杂。
• 容量有限：多路复用可以提高通信系统的效率，但通过单个信道发送的信号数量是有限的。这可能会阻止系统进行大规模扩展，并需要添加更多信道或硬件。
• 同步问题：多路复用要正常工作，所有信号的时间和频率同步是必要的。如果时间或同步出现问题，可能会导致信号丢失或降级。
• 复杂性：多路复用为通信系统增加了额外的复杂层，这可能导致更多错误，并使系统维护和升级变得复杂。

多路复用技术

多路复用技术可分为

频分多路复用（FDM）

这是一种模拟技术。

频分多路复用是一种用于在共享介质上聚合多个信号的多路复用技术。在这种多路复用中，不同频率的信号组合在一起进行并发传输。在FDM中，多个信号组合并通过单一通信线路或信道发送，每个信号在主信道中被分配一个独特的频率。

框图

在上图中，单一传输介质被细分为多个频率信道，每个频率信道分配给不同的设备。设备1的频率信道范围从1到5。

输入信号使用调制技术转换成频带，多路复用器将它们组合形成复合信号。

FDM的主要目的是将可用带宽细分为不同的频率信道并分配给不同的设备。

输入信号使用调制技术传输到频带中，然后组合形成复合信号。

用于调制信号的载波称为子载波。它们表示为f1、f2…fn。

FDM主要用于无线电广播和电视网络。

频分多路复用过程是怎样的？

FDM系统的发射端有多个发射器，而接收端在发射器和接收器之间的通信信道内有多个接收器。FDM中的每个发射器在发射端以不同的频率传输信号。例如，第一个发射器传输频率为30 kHz的信号，第二个发射器传输频率为40 kHz的信号，第三个发射器传输频率为50 kHz的信号。

之后，多路复用器——一种组合不同频率信号的设备——将信号组合并通过通信信道广播多路复用信号。FDM是一种非常受欢迎的模拟多路复用技术。解复用器用于接收端，在传输之前分离多路复用信号。

典型FDM中总共有n个信道，其中n是大于1的整数。每个信道都有一个独特的载波频率，并传输一个比特数据。每个信道以与其他信道不同的频率发送其输出。每个信道的输入延迟一定量dt，可以用每秒周期或时间单位表示。

可以使用以下公式确定每个信道的延迟

其中T是信号的周期，以时间单位表示（在我们的示例中为纳秒），常数C1、C2和C3由调制技术和正在广播的信号类型决定。

每个信道都由一系列光子晶体组成，这些晶体充当光波穿过它们的过滤器。只有特定波长的光才能穿过晶体；其他光由于晶体结构或附近晶体的反射而被完全阻挡。

每个使用FDM的用户都需要一个单独的接收器，这可能成本高昂且难以在移动设备上安装。正交频分多路复用（OFDM）是一种频率调制技术，已被用于解决此问题。

需要更多接收器，因为每个移动单元和基站必须在时间上同步。数据不能使用这种多路复用技术以突发模式发送；相反，数据是连续发送的，要求接收器等待接收下一个数据包，然后才能开始接收下一个数据包。对于某些接收器要有效解码数据包，它们必须能够以不同的速率从不同的基站接收数据包。

术语“发射器-接收器对”，简称TRP，指的是FDM系统中使用的发射器和接收器的总数。可以使用以下公式获得所需的TRP数量

FDM的优点

• FDM用于模拟信号。
• FDM过程非常简单，调制容易。
• 大量信号可以通过FDM同时发送。
• 它不需要发送方和接收方之间的任何同步。

FDM的缺点

• FDM技术仅在需要低速信道时使用。
• 它存在串扰问题。
• 需要大量的调制器。
• 它需要高带宽信道。

FDM的应用

• FDM通常用于电视网络。
• 它用于FM和AM广播。每个FM广播电台都有不同的频率，这些频率被多路复用以形成复合信号。多路复用信号在空中传输。

波分复用（WDM）

• 波分复用与FDM相同，只是光信号通过光纤电缆传输。
• WDM用于光纤以增加单根光纤的容量。
• 它利用了光纤电缆的高数据速率能力。
• 这是一种模拟多路复用技术。
• 来自不同光源的光信号在多路复用器的帮助下组合形成更宽的光带。
• 在接收端，解复用器分离信号以将其传输到目的地。
• 多路复用和解复用可以通过使用棱镜实现。
• 棱镜可以通过组合各种光信号形成复合信号，并通过光纤电缆传输，从而发挥多路复用器的作用。
• 棱镜还执行反向操作，即信号解复用。

波分复用（WDM）的优点

WDM具有以下优点或益处

• 重新配置更容易。
• 它提供更大的带宽。
• 考虑到其易于实现，这可能是理想的策略。
• 全双工传输是可行的。
• 光学部件更可靠且可比。
• 强大的安全性

波分复用的缺点

以下是WDM的缺点

• 信号不能太靠近。
• WDM承载的光波仅限于两点电路。
• 随着光学组件的增加，系统成本上升。
• PON内的WDM：带宽利用效率低、波长调谐挑战和级联拓扑挑战。
• 由于OLT（光线路终端）需要一个发射器阵列，其中每个ONU（光网络单元）有一个发射器，因此可扩展性是一个问题。如果未预先配置发射器，新的ONU可能会导致问题。每个ONU都需要一个特定波长的激光器。

时分复用

• 这是一种数字技术。
• 在频分多路复用技术中，所有信号以相同的频率在不同的时间运行，但在时分多路复用技术中，所有信号以相同的频率在不同的时间运行。
• 在时分多路复用技术中，信道中可用的总时间分配给不同的用户。因此，每个用户被分配一个不同的时间间隔，称为时间槽，在此时间槽内发送方将传输数据。
• 用户在固定的时间内控制信道。
• 在时分多路复用技术中，数据不是同时传输的。相反，数据是逐个传输的。
• 在TDM中，信号以帧的形式传输。帧包含一个时间槽循环，其中每个帧包含一个或多个专用于每个用户的时间槽。
• 它可用于多路复用数字和模拟信号，但主要用于多路复用数字信号。

TDM有两种类型

• 同步 TDM
• 异步TDM

同步 TDM

• 同步TDM是一种技术，其中时间槽预先分配给每个设备。
• 在同步TDM中，无论设备是否包含数据，每个设备都会被分配一些时间槽。
• 如果设备没有数据，该槽将保持为空。
• 在同步TDM中，信号以帧的形式发送。时间槽以帧的形式组织。如果设备在特定时间槽内没有数据，则将传输空槽。
• 最流行的同步TDM是T-1多路复用、ISDN多路复用和SONET多路复用。
• 如果有n个设备，则有n个槽。

同步TDM的概念

上图中实现了同步TDM技术。每个设备都被分配了一些时间槽。无论发送方是否有数据要发送，时间槽都会被传输。

同步TDM的缺点

由于也传输没有数据的空槽，因此信道容量未完全利用。上图填充了第一个帧，但最后两个帧中有些槽是空的。因此，我们可以说信道容量没有得到有效利用。

传输介质的速度应大于输入线的总速度。同步TDM的替代方法是异步时分多路复用。

异步TDM

• 异步TDM也称为统计TDM。
• 异步TDM是一种技术，其中时间槽不像同步TDM那样固定。时间槽仅分配给具有数据要发送的设备。因此，我们可以说异步时分多路复用器仅传输来自活动工作站的数据。
• 异步TDM技术动态地将时间槽分配给设备。
• 在异步TDM中，输入线的总速度可以大于信道容量。
• 异步时分多路复用器接收传入数据流并创建一个仅包含数据且没有空槽的帧。
• 在异步TDM中，每个槽包含一个标识数据源的地址部分。
  
• 异步TDM和同步TDM的区别在于，同步TDM中的许多槽未被利用，但异步TDM中的槽被充分利用。这导致更小的传输时间和高效的信道容量利用率。
• 在同步TDM中，如果有n个发送设备，则有n个时间槽。在异步TDM中，如果有n个发送设备，则有m个时间槽，其中m小于n（m
• 帧中的槽数取决于输入线数量的统计分析。

异步TDM的概念

在上图中，有4个设备，但只有两个正在发送数据，即A和C。因此，只有A和C的数据通过传输线传输。

上图的帧可以表示为

上图显示数据部分包含用于确定数据源的地址。

区别：同步TDM和异步TDM