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1、第六章 多路复用技术Chapter 6 Multiplexing,Computer Networks,本章讲什么Whats about This Chapter？,本章学习如何充分利用(多路共享)高带宽长途通道。本章研究：什么是多路复用技术?两种四类常用的多路复用技术频分复用 (用于模拟信号)频分复用 (电路适用)波分复用 (光缆适用)时分复用 (用于数字信号)同步时分复用统计时分复用,本章主要内容Contents,6.1 频分复用 Frequency-division Multiplexing6.2 波分复用 Wavelength-division Multiplexing6.3 同步时分复
2、用 Synchronous Time-division Multiplexing6.4 统计时分复用 Statistical Time-division Multiplexing,复用技术Multiplexing Techniques,一般来说，正在通信的两个站点不会完全用尽数据链路的全部带宽。“复用”(multiplexing) 就是使一条数据链路能同时传输多路信号的一组技术。复用技术最常用在使用大容量光纤、同轴电缆或微波链路的长途通信方面，以及广域网的主干连接。,P105 图,复用与无复用Multiplexing vs. No Multiplexing,链路和通道（信道）Link and
3、Channel,在多路复用技术中，“链路”一词指的是物理路线。“通道”（信道）一词指的链路的一部分，它能在一对给定的线路间实现数据的传输。一条链路可以有许多(n)条通道。In multiplexing, the word link refers to the physical path. The word channel refersto the portion of a link that carries a transmission between a given pair of lines.One link can have many (n) channels.,在多路复用技术中，“链路
4、”一词指的是物理路线。“通道”（信道）一词指的链路的一部分，它能在一对给定的线路间实现数据的传输。 一条链路可以有许多(n)条通道。 In multiplexing, the word link refers to the physical path. The word channel refers to the portion of a link that carries a transmission between a given pair of lines. One link can have many (n) channels.,Note,复用技术种类Categories of Mul
5、tiplexing,异步时分复用: 亦称统计时分复用(STDM),P106 图,6.1 频分复用Frequency-division Multiplexing,频分复用Frequency Division Multiplexing,FDM是一种模拟技术，用于链路带宽大于要传输的几路信号带宽之和的情况。每路信号都被调制到一个不同的载波频率上，然后组合成一个复合信号。各载波频率之间应有一定间隔（防护频带），保证各路信号不会重叠。应用示例：广播电台和有线电视信道分配后，即使没有数据传送也被占用。,频分复用示意图Frequency Division Multiplexing Diagram,频分复用：
6、“齐头并进”型复用,P106 图,FDM：模拟复用技术FDM: Analog Multiplexing Technique,如果源端发送的是数字信号，复用前要先转换为模拟信号。,频分复用是一种模拟多路复用技术，用于将多路模拟信号合成为一路复合信号。FDM is an analog multiplexing technique that combines analog signals.,Note,频分复用系统FDM System,复合基带调制信号的频谱Spectrum of Composite baseband modulating signal,FDM复用过程时域图FDM Multiplexi
7、ng, Time Domain,复用器,P106 图,FDM解复用过程时域图FDM Demultiplexing, Time Domain,P106 图,FDM复用过程频域图FDM Multiplexing, Frequency Domain,FDM解复用过程频域图FDM Demultiplexing, Frequency Domain,例6.1 (P107图6.6),莆田学院现代教育技术中心 2009年3月,例6.2 (P107图6.7),5个通道,带宽均为100 kHz，如果通道间需要10 kHz的防护频带，求链路的最小带宽。,解：5 100 + 4 10 = 540 kHz,模拟载波系统
8、Analog Carrier Systems,由美国AT&T公司推出的分级的FDM结构基群12 路话音信道 (每路4kHz) = 48 kHz频谱 60kHz 108 kHz超群60 路话音信道由5个基群信号通过FDM二次调制形成 超群复用器主群10 个超群组成（600路话音信道）- 主群复用器巨群由个主群组成,模拟载波系统层次结构示意图Analog Hierarchy,P108 图,应用示例: ADSLExample of FDM Application,ADSL (非对称数字用户线路）参见P163-165利用现有电话线(实际带宽1.1 MHz)实现宽带网络连接非对称 (Asymmetric
9、)的含义下行速率大于上行采用频分复用技术最低的25 kHz 用于传统电话话音传输使用回声抵消或FDM技术来分配两个频带(上行和下行)在频带内部使用FDM技术距离可达 千米,ADSL信道设置ADSL Channel Configuration,参见P165 图,离散多音频(DMT)技术Discrete Multitone,在不同频率使用多个载波信号每路信道上发送一些比特将有效传输频带划分成多个4 kHz的子信道先发送测试信号判断各子信道的信噪比，按其优劣为传输质量好的信道多分配一些比特，反之少分配一些。256 个下行流子信道 (每个4 kHz子信道可承载60 kbps)理论可达15.36 Mbp
10、s受传输损伤影响实际可达1.5 Mbps to 9 Mbps,DMT每个信道分配的比特DTM Bits Per Channel Allocation,离散多音频技术 Discrete Multitone Technique,P164图,6.2 波分复用Wavelength-division Multiplexing,波分复用示意图Wavelength-division Multiplexing Diagram,波分复用：光纤通道上的频分复用,P109 图,波分复用Wavelength Division Multiplexing,不同频率的多路光线在同一光纤上传输，即在一根光纤上采用频分复用技术
11、，承载若干不同频率的光信号。 FDM的一种形式。每一种颜色（波长）的光承载一个数据信道。,波分复用与分离过程中棱镜的作用Prisms in Wavelength-division Multiplexing and Demultiplexing,WDM技术非常复杂，原理却非常简单：光源的组成与分离由棱镜完成。,P109 图,密集波分复用(DWDM) Dense Wavelength Division Multiplexing,一般认为，信道间距大于1 nm且信道总数低于8以下，称之为WDM系统, 反之，若波道间距小于1 nm且波道总数大于8，即称之为DWDM系统。DWDM能够在同一根光纤中，把不
12、同的波长同时进行组合和传输。为了保证有效，一根光纤转换为多个虚拟光纤。目前，由于采用了DWDM技术，单根光纤可以传输的数据流量达到400 Gbps以上。,铁通公司已利用DWDM等技术建成了先进的京沪穗环、东北环、西北环、西南环、东南环等五个高速传输网。Cernet 2和中国下一代互联网示范工程CNGI也采用DWDM构建高速主干网。,6.3 同步时分复用Synchronous Time-Division Multiplexing,时分复用示意图Time Division Multiplexing,TDM:“交替前进”型多路复用,P110 图.12,同步时分复用Synchronous TDM,TD
13、M是一种数字复用技术，它将不同源端的数字数据合并到一个时间共享的链路上，适用于媒体数据速率容量超过要传输的几路数字信号总速率的情况。几路数字信号可以通过交替使用不同的“时隙”(time slot, 亦译成“时间片”或“时槽”)在一条传输线路上传送。交替可以按位、按字节块或大数据块进行。时隙被预先固定分配给每个数据源。即使某个数据源并没有数据传送，该时隙也得分配给它。每个数据源对应的时隙数量可以是不同的。,TDM帧TDM Frames,同步时分复用Synchronous Time-division Multiplexing,P110 图,TDM：数字复用技术TDM: Digital Multip
14、lexing Technique,如果源端发送的是模拟信号，复用前要先转换为数字信号。,时分复用是一种数字多路复用技术，用于将多个低速通道组合成为一个高速通道。TDM is a digital multiplexing technique for combining several low-rate channels into one high-rate one.,Note,交替Interleaving,P112 图,同步TDM系统,同步时分复用技术Synchronous TDM,复用器将不同的输入交替组合成帧，然后送入传输链路。传输链路的容量必须能容纳所有的输入。如果上图中每路输入的带宽是9
15、.6 kbps，传输链路所需总带宽至少要48 kbps。,复用过程Multiplexing Process,因为将每个时隙分配给特定的输入线路，如果这些输入线路没有全部进入工作状态，就会出现空闲的时隙。上图中，只有前三个帧是完全填满的。而24个时隙中有6个空闲未用，意味着链路传输能力的四分之一被浪费了。,分离过程Demultiplexing Process,莆田学院现代教育技术中心 2009年3月,数据速率管理Management of Data Rate,以上讨论是假定所有输入数据的速率都是相同的。当输入数据的速率不同时，可用三种策略或这三种策略的组合：多级复用(multilevel mul
16、tiplexing)多时隙分配(multiple-slot allocation)脉冲填充(pulse stuffing),多级复用Multilevel Multiplexing,当一路的数据速率是其他几路数据速率的整数倍时，可采用多级复用技术。,P113 图,多时隙复用Multiple-slot Multiplexing,在一个帧里对某路输入分配多个时隙。,P113 图6. 20,脉冲填充Pulse Stuffing,如果某些源输入的数据速率不是其他源输入数据速率的整数倍，只能采用“脉冲填充”，即：将最高的输入速率的选作主速率，然后将其他所有低速率的输入添加虚位。,P114 图6. 21,脉
17、冲填充示例Example of Pulse Stuffing,帧同步Framing,TDM技术应用时，复用器和分离器之间的同步是一个主要问题。最常用的技术是“附加数字帧同步法”：在每帧上增加一个控制比特（时隙）这些比特看起来就象增加了一个新信道“控制信道”。控制信道上所用的比特形式应该是可识别的。如使用交替变化的之类数据信道上不可能有这样的比特形式。将每个信道的输入位与预期的同步形式比较，就可以解决同步问题。,帧指示位Framing Bits,帧指示位（比特）通常由1位构成，交替变化为0 和 1 ，使分离器与输入流同步，以准确地分离时隙。,P114 图6. 22,数字载波系统Digital C
18、arrier Systems,一种用于数字信号传输服务的TDM层次结构。每路数字话音通道的速率为64 kbps (DS -0)。美国分级结构以 DS-1格式为基础复用了 24 路话音通道数据速率1.544 Mbps (2464 kbps 8 kbps 开销)若干DS-1通道进行复用，可达到更高级别的复用如DS-2是4个DS-1信道的复用，可获得Mbps的数据流。以此类推，形成数字载波系统的层次结构。,数字载波系统层次结构示意图Digital hierarchy,P115 图,DS服务和 T 线路的数据速率,DS服务与T线路 DS and T line,P115 表,T线路是电话公司用于实现DS
19、服务的数字电话线路。,用于电话线路多路复用的T-1线路T-1 Line for Multiplexing Telephone Lines,P116 图,T-1帧结构T-1 Frame Structure,P116 图,E线路的速率,E线路的速率E Line Rates,P116 表,E线路是欧洲使用的T线路版本，二者概念相同，容量不同。,6.4 统计时分复用Statistical Time-Division Multiplexing,统计时分复用Statistical TDM (STDM),同步时分复用中，一个帧中可能会有许多时隙被白白浪费。使用统计TDM时，时隙并未预先分配给特定的数据源，而
20、是按需进行动态分配。用户数据先进入缓存，然后被尽快地通过可用的时隙传送出去。对统计复用器而言，存在n条输入线路，但TDM帧中只有k (kn) 个时隙可用。所以复用线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和。在输入端，复用器扫描输入缓存区，搜集数据，直到一个帧被填满，然后发送这个帧。在输出端，复用器接收一个帧，然后将各时隙中的数据分发给相应的输出缓存区。,两种TDM时隙比较TDM Slot Comparison,P117图,异步（统计）时分复用Asynchronous TDM,a. 只有三条输入线路发送数据,帧和地址Frames and Addresses,b. 只有四条输入线路发送数据,帧和地址
21、Frames and Addresses,c. 所有输入线路都发送数据,帧和地址Frames and Addresses,莆田学院现代教育技术中心 2009年3月,STDM Addressing寻址问题,在同步时分复用中，在某一时隙中的数据属于哪个设备由时隙在帧中的位置指明。但是在异步时分复用中，从同一个设备发出的数据在一帧中可能位于第一个时隙，而在另一帧中却可能位于第三个时隙。由于缺乏固定的位置关系，每个时隙必须携带一个地址来告诉解复用器如何为其中的数据定向。这个地址只用于局部，由复用器添加其中，而一旦数据被读入就由解复用器去除。由于地址是一种额外开销，所以异步时分复用只有在传输保持较大时隙的时候才有较高的效率。,本章推荐阅读Recommended Reading,吕梁高等专科学校-计算机系 课程网站 (有课前练习、课后习题、应用案例等）网狐教程“多路复用技术的基本概念 ” 全国高等教育自学考试指导委员会 组编计算机网络与通信 第节 多路复用技术（全国高等教育自学考试指定教材-计算机及应用专业独立本科段用） 主编 冯博琴 经济科学出版社 （院图书馆索取号：）多路复用（百度百科）,