數據鏈路層(4) 靜態划分信道


一、基礎知識

  在數據的傳輸過程中,通常使用兩種鏈路,分別是點對點鏈路,廣播式鏈路

  

  (1)點對點鏈路:指兩個相鄰節點通過一個鏈路相連。應用有PPP協議,常用於廣域網。

  (2)廣播式鏈路:指所有主機共享通信介質,類擬於公共的高速公路,應用有以太網、無線局域網、局域網。典型的拓撲結構:總線型、星型(邏輯總線型)。

 

二、介質訪問控制

  介質訪問控制就是采取一定的措施,使得兩對節點之間的通信不會發生互相干擾的情況。

  介質訪問控制可以分為靜態划分信道和動態分配信通

  (1)靜態划分信道:也叫信道划分介質訪問控制,有四種控制的方法,1、頻分多路復用FDM;2、時分多路復用TDM;3、波分多路復用WDM;4、碼分多路復用CDM

  (2)動態分配信通,可以分為輪詢訪問控制  令牌傳遞協議隨機訪問介質訪問控制 ALOHA協議、CSMA協議、CSMA/CD協議、CSMA/CA協議。  

 

三、靜態划分信道訪問控制

  信道划分介質訪問控制:將使用介質的每個設備與來自同一信道上的其他設備的通信隔開,把時域和頻域資源合理分配給網絡上的設備。

  

  在點對點通信方式中,兩點間的通信線路是專用的,其利用率很低,一種提高線路利用率的有效方法是使多個數據源合用一條傳輸線路,這就是信道復用技術。信道復用技術是將來自若干信道源的信號進行合並,然后將合成的信號經單一的信道和傳輸設備進行傳輸,在接收方,設有能將信號進行分離的單獨的信號處理設備。

  多路復用技術是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術。這種技術要用到兩個設備,其中,多路復用器在發送端根據某種約定的划則把多個低帶寬的信號復合成一個高帶寬的信號;多路分配器在接收端根據同一規則把高帶寬信號分解成多個低帶寬信號。多路復用器和多路分配器統稱為多路器,簡寫為MUX。如圖:

  

  注:把一條廣播信道,邏輯上分成幾要用於兩個節點之間通信的互不干擾的子信道,實則是把廣播信道轉變為點對點信道。

  

  多路復用技術用到兩種設備:

  (1)多路復用器(Mutiplexer),在發送端根據某種約定的規則把多個低帶寬的信號復合成一個高帶寬的信號;

  (2)多路分配器(Demultiplexer),在接收端根據統一規則把高帶寬信號分解成多個低帶寬信號。

  (3)多路復用器和多路分配器統稱為多路器,簡寫為MUX。

  

  信道復用技術的形式有:1、頻分多路復用FDM;2、時分多路復用TDM;3、波分多路復用WDM;4、碼分多路復用CDM。

  

四、頻分多路復用FDM

  頻分多路復用FDM主要用於模擬信號。多路復用器接受來自多個源的模擬信號,每個信號有自己獨立的帶寬,信號在通信的過程中自始自終都占用這個頻帶,在同樣的時間占用不同的帶寬頻率,信號被組合成一個具有更大帶寬的信號,信號通過媒體傳送到目的地,目的地有另一個多路復用器完成信號分解工作,把各信號單元分離開來。如圖:

    

   

  頻分多路復用的典型應用:無線電廣播、ADSL、FDD-LTE

 

  頻分多路復用的案例:

  1)頻分多路復用用於無線電廣播、有線電視中。一根CATV電纜的帶寬約是500MHz,可傳送80個頻道的電視節目,每個頻道6MHz用於聲音、視頻、及彩色等子信號,每個頻道留有一定的警戒頻帶,防止相互串擾。

   2)xDSL采用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造,使它能夠承載寬帶業務,標准的模擬電話信號的頻率在300-3400Hz范圍,而xDSL技術把0-4kHz低頻頻譜給傳統電話使用,而40k-1.1MHz的頻率范圍則給用戶上網使用。相關的技術有HDSL、SDSL、VDSL、ADSL和RADSL等。

  

  ADSL技術解析:

  1)ADSL技術在用戶線纜兩端各安裝一個ADSL調制解調器。

  2)采用的方案是離散多音調DMT調制技術,多單調即多載波或多子信道。

  3)上行下行帶寬不對稱,下行數率在32k-6.4Mb/s,上行數據率在32k-640kb/s之間。

  4)DMT調制技術采用頻分多路復用技術,把40kHz-1.1MHz的高階頻譜划分為許多的子信道,其中25個子信道用於上行信道,而249個子信道用於下行信道。

  5)每個子信道占據4kHz帶寬,並使用不同的載波進行數字調制,相當於在一個線路上用多條信道並行地傳送數據。

 

五、時分多路復用TDM

  頻分復用實現了多用戶數據的同時傳輸,但在同一時間,不同用戶占用不同的信道帶寬頻率,那就會造成不同用戶使用的信道頻率有高有低,各用戶間的寬帶使用體驗也是不同的,高頻段用戶使用的速度更快,低頻段用戶使用的速度會慢一些,不是一個平衡的狀態。

  時分多路復用TDM,信道分割的方法是信號占用的時間,將使用復用的各路信號在時間上互不重疊,在傳輸時把時間分成小的時隙,每一時隙由復用的一個信號占用。如圖所示的情況,4個用戶A,B,C,D進行時分復用時,4個時隙構成一個時分復用幀,每一個時分復用的用戶在一個TDM幀中占用固定序號的時隙,每個用戶占用的時隙周期性的出現,時分復用的所有用戶在不同的時間占用相同的頻帶頻率

    

  在進行通信時,復用器和分用器總是成對地使用,在復用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。分用器的作用正好和復用器相反,它將高速線路傳送過來的數據進行分組,分別送到相應的用戶處。當使用時多路分復用技術傳送計算機數據時,由於計算機數據的突發性,一個用戶對分配到的信道的利用率一般不高,因某用戶在某一段時間暫無數據傳輸時,就會使分配到的信道時隙空閑,而其他有數據的用戶也無法使用這個空閑的時隙資源傳送數據(按時間分配時隙)。

  

  時分多路復用典型應用有:T1/E1、SONET/SDH、WIFI、TDD-LTE

 

六、統計時分復用STDM

  統計時分復用STDM是一種改進的時分復用技術,它可以提高信道的利用率。集中器使用這個方法

  統計時分復用技術使用STDM幀來傳送復用數據,但每一個STDM幀中的時隙數小於或等於連接在集中器上的用戶數,如圖所示,按A、B、C、D的順序依次分配時隙,各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存,然后集中器按順序依次掃描輸入緩存,將緩存中的數據存入STDM幀中,當一個幀的數據放滿了,就發送出去,因此STDM幀不是固定分配時隙,而是按需動態分配時隙,由於用戶占用的時隙並不是周期性地被使用,所以在每個時隙中還必須有用戶的地址信息,這是統計時分復用必須要有的不可避免的開銷

    

   

七、波分多路復用WDM

  波分多路復用WDM是光的頻分復用,使用一根光纖來同時傳輸多個光載波信號

    

  波分多路復用將標准波長光波,通過光合波器(復用器)將光信號耦合到一根光纖上,進行傳輸當傳輸一定距離信號會衰減,為了對不同波長光信號具有相同的放大增益,需要采用光纖放大器(EDFA)對光信號進行放大,當光信號到達接收端后,由分用器將光信號再轉換為標准波大。

  注:如運營商使用的光纖通信技術為GPON技術,運營商端復用器為設備OLT,用戶端的分用器為設備ONU(光貓)

 

六、碼分多路復用CDM

  碼分多路復用CDM又稱碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),CDM與FDM(頻分多路復用)和TDM(時分多路復用)不同,它既共享信道的頻率,也共享時間,是一種真正的動態復用技術,其原理是每比特時間被分成m個更短的時間槽,稱為碼片(Chip),通常情況下每比特有64或128個碼片,每個站點(通道)被指定一個唯一的m位的代碼或碼片序列。當發送1時站點就發送碼片序列,發送0時就發送碼片序列的反碼。當兩個或多個站點同時發送時,各路數據在信道中被線形相加。為了從信道中分離出各路信號,要求各個站點的碼片序列是相互正交的

  碼分多路復用也是一種共享信道的方法,每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信,但使用的是基於碼型的分割信道的方法,即每個用戶分配一個地址碼,各個碼型互不重疊,通信各方之間不會相互干擾,且抗干攏能力強。

  碼分多路復用技術主要用於無線通信系統,特別是移動通信系統。它不僅可以提高通信的話音質量和數據傳輸的可靠性以及減少干擾對通信的影響,而且增大了通信系統的容量。

 


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