漫談各種復用技術(shù)
在數據通信中，復用技術(shù)的使用極大地提高了信道的傳輸效率，取得了廣泛地應用。多路復用技術(shù)就是在發(fā)送端將多路信號進(jìn)行組合(如廣電前端使用的混合器)，然后在一條專(zhuān)用的物理信道上實(shí)現傳輸，接收端再將復合信號分離出來(lái)。多路復用技術(shù)主要分為兩大類(lèi)：頻分多路復用(簡(jiǎn)稱(chēng)頻分復用)和時(shí)分多路復用(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)分復用)，波分復用和統計復用本質(zhì)上也屬于這兩種復用技術(shù)。另外還有一些其他的復用技術(shù)，如碼分復用、極化波復用和空分復用等。
1頻分復用
頻分復用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶(或稱(chēng)子信道)，每一個(gè)子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大于各個(gè)子信道頻率之和，同時(shí)為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾(條件之一)。頻分復用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸的信號以并行的方式工作，每一路信號傳輸時(shí)可不考慮傳輸時(shí)延，因而頻分復用技術(shù)取得了非常廣泛的應用。頻分復用技術(shù)除傳統意義上的頻分復用(FDM)外，還有一種是正交頻分復用(OFDM)。
1.1傳統的頻分復用
傳統的頻分復用典型的應用莫過(guò)于廣電HFC網(wǎng)絡(luò )電視信號的傳輸了，不管是模擬電視信號還是數字電視信號都是如此，因為對于數字電視信號而言，盡管在每一個(gè)頻道(8 MHz)以?xún)仁菚r(shí)分復用傳輸的，但各個(gè)頻道之間仍然是以頻分復用的方式傳輸的。
1.2正交頻分復用
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)實(shí)際是一種多載波數字調制技術(shù)。OFDM全部載波頻率有相等的頻率間隔，它們是一個(gè)基本振蕩頻率的整數倍，正交指各個(gè)載波的信號頻譜是正交的。
OFDM系統比FDM系統要求的帶寬要小得多。由于OFDM使用無(wú)干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無(wú)需保護頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術(shù)可動(dòng)態(tài)分配在子信道中的數據，為獲得最大的數據吞吐量，多載波調制器可以智能地分配更多的數據到噪聲小的子信道上。目前OFDM技術(shù)已被廣泛應用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信系統中，主要的應用包括：非對稱(chēng)的數字用戶(hù)環(huán)線(xiàn)(ADSL)、數字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)和第4代(4G)移動(dòng)通信系統等。
2時(shí)分復用
時(shí)分復用(TDM，Time Division Multiplexing)就是將提供給整個(gè)信道傳輸信息的時(shí)間劃分成若干時(shí)間片(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)隙)，并將這些時(shí)隙分配給每一個(gè)信號源使用，每一路信號在自己的時(shí)隙內獨占信道進(jìn)行數據傳輸。時(shí)分復用技術(shù)的特點(diǎn)是時(shí)隙事先規劃分配好且固定不變，所以有時(shí)也叫同步時(shí)分復用。其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)隙分配固定，便于調節控制，適于數字信息的傳輸；缺點(diǎn)是當某信號源沒(méi)有數據傳輸時(shí)，它所對應的信道會(huì )出現空閑，而其他繁忙的信道無(wú)法占用這個(gè)空閑的信道，因此會(huì )降低線(xiàn)路的利用率。時(shí)分復用技術(shù)與頻分復用技術(shù)一樣，有著(zhù)非常廣泛的應用，電話(huà)就是其中最經(jīng)典的例子，此外時(shí)分復用技術(shù)在廣電也同樣取得了廣泛地應用，如SDH，ATM，IP和HFC網(wǎng)絡(luò )中CM與CMTS的通信都是利用了時(shí)分復用的技術(shù)。
3波分復用
光通信是由光來(lái)運載信號進(jìn)行傳輸的方式。在光通信領(lǐng)域，人們習慣按波長(cháng)而不是按頻率來(lái)命名。因此，所謂的波分復用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)其本質(zhì)上也是頻分復用而已。WDM是在1根光纖上承載多個(gè)波長(cháng)(信道)系統，將1根光纖轉換為多條“虛擬”纖，當然每條虛擬纖獨立工作在不同波長(cháng)上，這樣極大地提高了光纖的傳輸容量。由于WDM系統技術(shù)的經(jīng)濟性與有效性，使之成為當前光纖通信網(wǎng)絡(luò )擴容的主要手段。波分復用技術(shù)作為一種系統概念，通常有3種復用方式，即1 310 nm和1 550 nm波長(cháng)的波分復用、粗波分復用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)和密集波分復用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)。
(1)1 310 nm和1 550 nm波長(cháng)的波分復用
這種復用技術(shù)在20世紀70年代初時(shí)僅用兩個(gè)波長(cháng)：1 310 nm窗口一個(gè)波長(cháng)，1 550 nm窗口一個(gè)波長(cháng)，利用WDM技術(shù)實(shí)現單纖雙窗口傳輸，這是最初的波分復用的使用情況。
(2)粗波分復用
繼在骨干網(wǎng)及長(cháng)途網(wǎng)絡(luò )中應用后，波分復用技術(shù)也開(kāi)始在城域網(wǎng)中得到使用，主要指的是粗波分復用技術(shù)。CWDM使用1 200~1 700 nm的寬窗口，目前主要應用波長(cháng)在1 550 nm的系統中，當然1 310 nm波長(cháng)的波分復用器也在研制之中。粗波分復用(大波長(cháng)間隔)器相鄰信道的間距一般≥20 nm，它的波長(cháng)數目一般為4波或8波，最多16波。當復用的信道數為16或者更少時(shí)，由于CWDM系統采用的DFB激光器不需要冷卻，在成本、功耗要求和設備尺寸方面，CWDM系統比DWDM系統更有優(yōu)勢，CWDM越來(lái)越廣泛地被業(yè)界所接受。CWDM無(wú)需選擇成本昂貴的密集波分解復用器和“光放”EDFA，只需采用便宜的多通道激光收發(fā)器作為中繼，因而成本大大下降。如今，不少廠(chǎng)家已經(jīng)能夠提供具有2~8個(gè)波長(cháng)的商用CWDM系統，它適合在地理范圍不是特別大、數據業(yè)務(wù)發(fā)展不是非?？斓某鞘惺褂?。
(3)密集波分復用
密集波分復用技術(shù)(DWDM)可以承載8～160個(gè)波長(cháng)，而且隨著(zhù)DWDM技術(shù)的不斷發(fā)展，其分波波數的上限值仍在不斷地增長(cháng)，間隔一般≤1.6 nm，主要應用于長(cháng)距離傳輸系統。在所有的DWDM系統中都需要色散補償技術(shù)(克服多波長(cháng)系統中的非線(xiàn)性失真——四波混頻現象)。在16波DWDM系統中，一般采用常規色散補償光纖來(lái)進(jìn)行補償，而在40波DWDM系統中，必須采用色散斜率補償光纖補償。DWDM能夠在同一根光纖中把不同的波長(cháng)同時(shí)進(jìn)行組合和傳輸，為了保證有效傳輸，一根光纖轉換為多根虛擬光纖。目前，采用DWDM技術(shù)，單根光纖可以傳輸的數據流量高達400 Gbit/s，隨著(zhù)廠(chǎng)商在每根光纖中加入更多信道，每秒太位的傳輸速度指日可待。
4碼分復用
碼分復用(CDM，Code Division Multiplexing)是靠不同的編碼來(lái)區分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術(shù)結合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)，包括無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)接入。例如在多址蜂窩系統中是以信道來(lái)區分通信對象的，一個(gè)信道只容納1個(gè)用戶(hù)進(jìn)行通話(huà)，許多同時(shí)通話(huà)的用戶(hù)，互相以信道來(lái)區分，這就是多址。移動(dòng)通信系統是一個(gè)多信道同時(shí)工作的系統，具有廣播和大面積覆蓋的特點(diǎn)。在移動(dòng)通信環(huán)境的電波覆蓋區內，建立用戶(hù)之間的無(wú)線(xiàn)信道連接，是無(wú)線(xiàn)多址接入方式，屬于多址接入技術(shù)。聯(lián)通CDMA(Code Division Multiple Access)就是碼分復用的一種方式，稱(chēng)為碼分多址，此外還有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和同步碼分多址(SCDMA)。
(1)FDMA
FDMA頻分多址采用調頻的多址技術(shù)，業(yè)務(wù)信道在不同的頻段分配給不同的用戶(hù)。FDMA適合大量連續非突發(fā)性數據的接入，單純采用FDMA作為多址接入方式已經(jīng)很少見(jiàn)。目前中國聯(lián)通、中國移動(dòng)所使用的GSM移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)就是采用FDMA和TDMA兩種方式的結合。
(2)TDMA時(shí)分多址
TDMA時(shí)分多址采用了時(shí)分的多址技術(shù)，將業(yè)務(wù)信道在不同的時(shí)間段分配給不同的用戶(hù)。TDMA的優(yōu)點(diǎn)是頻譜利用率高，適合支持多個(gè)突發(fā)性或低速率數據用戶(hù)的接入。除中國聯(lián)通、中國移動(dòng)所使用的GSM移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)采用FDMA和TDMA兩種方式的結合外，廣電HFC網(wǎng)中的CM與CMTS的通信中也采用了時(shí)分多址的接入方式(基于DOCSIS1.0或1.1和Eruo DOCSIS1.0或1.1)。
(3)CDMA碼分多址
CDMA是采用數字技術(shù)的分支——擴頻通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種嶄新而成熟的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它是在FDM和TDM的基礎上發(fā)展起來(lái)的。FDM的特點(diǎn)是信道不獨占，而時(shí)間資源共享，每一子信道使用的頻帶互不重疊；TDM的特點(diǎn)是獨占時(shí)隙，而信道資源共享，每一個(gè)子信道使用的時(shí)隙不重疊；CDMA的特點(diǎn)是所有子信道在同一時(shí)間可以使用整個(gè)信道進(jìn)行數據傳輸，它在信道與時(shí)間資源上均為共享，因此，信道的效率高，系統的容量大。CDMA的技術(shù)原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數據用一個(gè)帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼(PN)進(jìn)行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調制并發(fā)送出去；接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實(shí)現信息通信。CDMA碼分多址技術(shù)完全適合現代移動(dòng)通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換等，正受到越來(lái)越多的運營(yíng)商和用戶(hù)的青睞。
(4)同步碼分多址技術(shù)
同步碼分多址(SCDMA，Synchrnous Code Division Multiplexing Access)指偽隨機碼之間是同步正交的，既可以無(wú)線(xiàn)接入也可以有線(xiàn)接入，應用較廣泛。廣電HFC網(wǎng)中的CM與CMTS的通信中就用到該項技術(shù)，例如美國泰立洋公司(Terayon)和北京凱視通電纜電視寬帶接入，結合ATDM(高級時(shí)分多址)和SCDMA上行信道通信(基于DOCSIS2.0或Eruo DOCSIS2.0)。
中國第3代移動(dòng)通信系統也采用同步碼分多址技術(shù)，它意味著(zhù)代表所有用戶(hù)的偽隨機碼在到達基站時(shí)是同步的，由于偽隨機碼之間的同步正交性，可以有效地消除碼間干擾，系統容量方面將得到極大的改善，它的系統容量是其他第3代移動(dòng)通信標準的4～5倍。
5空分復用
空分復用(SDM，Space Division Multiplexing)即多對電線(xiàn)或光纖共用1條纜的復用方式。比如5類(lèi)線(xiàn)就是4對雙絞線(xiàn)共用1條纜，還有市話(huà)電纜(幾十對)也是如此。能夠實(shí)現空分復用的前提條件是光纖或電線(xiàn)的直徑很小，可以將多條光纖或多對電線(xiàn)做在一條纜內，既節省外護套的材料又便于使用。
6統計復用
統計復用(SDM，Statistical Division Multiplexing)有時(shí)也稱(chēng)為標記復用、統計時(shí)分多路復用或智能時(shí)分多路復用，實(shí)際上就是所謂的帶寬動(dòng)態(tài)分配。統計復用從本質(zhì)上講是異步時(shí)分復用，它能動(dòng)態(tài)地將時(shí)隙按需分配，而不采用時(shí)分復用使用的固定時(shí)隙分配的形式，根據信號源是否需要發(fā)送數據信號和信號本身對帶寬的需求情況來(lái)分配時(shí)隙，主要應用場(chǎng)合有數字電視節目復用器和分組交換網(wǎng)等，下面就以這兩種主要應用分別敘述。
6.1數字電視節目復用器
數字電視節目復用器主要完成對MPEG-2傳輸流(TS)的再復用功能，形成多節目傳送流(MPTS)，用于數字電視節目的傳輸任務(wù)。所謂統計復用是指被復用的各個(gè)節目傳送的碼率不是恒定的，各個(gè)節目之間實(shí)行按圖像復雜程度分配碼率的原則。因為每個(gè)頻道(標準或增補)能傳多個(gè)節目，各個(gè)節目在同一時(shí)刻圖像復雜程度不一樣(一樣的概率很小)，所以我們可以在同一頻道內各個(gè)節目之間按圖像復雜程度分配碼率，實(shí)現統計復用。
實(shí)現統計復用的關(guān)鍵因素：一是如何對圖像序列隨時(shí)進(jìn)行復雜程度評估，有主觀(guān)評估和客觀(guān)評估兩種方法；二是如何適時(shí)地進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)的帶寬動(dòng)態(tài)分配。使用統計復用技術(shù)可以提高壓縮效率，改進(jìn)圖像質(zhì)量，便于在1個(gè)頻道中傳輸多套節目，節約傳輸成本。
6.2分組交換網(wǎng)
分組交換網(wǎng)是繼電路交換網(wǎng)和報文交換網(wǎng)之后的一種新型交換網(wǎng)絡(luò )，它主要用于數據通信，如X.25，幀中繼，DPT，SDH，GE和ATM都是分組交換的例子。分組交換是一種存儲轉發(fā)的交換方式，它將用戶(hù)的報文劃分成一定長(cháng)度的分組(可以定長(cháng)和不定長(cháng))，以分組為存儲轉發(fā)。因此，它比電路交換的利用率高，比報文交換的時(shí)延小，具有實(shí)時(shí)通信的能力。分組交換利用統計時(shí)分復用原理，將1條數據鏈路復用成多個(gè)邏輯信道，最終構成1條主叫、被叫用戶(hù)之間的信息傳送通路，稱(chēng)之為虛電路(即VC，兩個(gè)用戶(hù)終端設備在開(kāi)始互相發(fā)送和接收數據之前需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )建立邏輯上的連接)，實(shí)現數據的分組傳送。分組交換網(wǎng)中有的支持統計復用，有的不支持統計復用，例如SDH就不支持統計復用，其帶寬是固定不變的，支持統計復用技術(shù)的主要有幀中繼、ATM和IP，下面作分別介紹。
(1)幀中繼
幀中繼是在X.25分組交換技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的一種快速分組交換傳輸技術(shù)，用戶(hù)信息以幀(可變長(cháng))為單位進(jìn)行傳輸，并對用戶(hù)信息流進(jìn)行統計復用。
(2)ATM
ATM支持面向連接(非物理的邏輯連接)的業(yè)務(wù)，具有很大的靈活性，可按照多媒體業(yè)務(wù)實(shí)際需要動(dòng)態(tài)分配通信資源，對于特定業(yè)務(wù)，傳送速率隨信息到達的速率而變化，因此，ATM具有統計復用的能力，能夠適應任何類(lèi)型的業(yè)務(wù)。
(3)DPT
DPT(Dynamic Packet Transport)是Sisco公司獨創(chuàng )的新一代優(yōu)化動(dòng)態(tài)分組的傳輸技術(shù)，吸收了SDH的優(yōu)點(diǎn)而克服其缺點(diǎn)，將IP路由技術(shù)對寬帶的高效利用以及豐富的業(yè)務(wù)融合能力，和光纖環(huán)路的高帶寬及可靠的自愈功能緊密結合，由于所有節點(diǎn)都具有公平機制且支持帶寬統計復用，可成倍提高網(wǎng)絡(luò )可用帶寬。
(4)吉位以太網(wǎng)
GE(Gigabit Ethernet)是以太網(wǎng)技術(shù)的延伸，是第3代以太網(wǎng)，它主要處理數據業(yè)務(wù)，是目前廣電寬帶城域骨干網(wǎng)采用的主流技術(shù)。以太網(wǎng)交換機端口(RJ45)所帶的用戶(hù)信道使用率通常是不相同的，經(jīng)常會(huì )出現有的信道很忙，有的信道處于空閑狀態(tài)，即便是以太網(wǎng)交換機所有的端口都處于通信狀態(tài)下，還會(huì )涉及到帶寬的不同需求問(wèn)題，而數據交換的特性在于突發(fā)性，只有通過(guò)統計復用，即帶寬動(dòng)態(tài)分配才能降低忙閑不一的現象，從而最大限度地利用網(wǎng)絡(luò )帶寬。
7字節間插復用
在SDH(Synchronous Digital Hierarchy)中復用是指將低階通道層信號適配進(jìn)高階通道，或將多個(gè)高階通道層信號適配進(jìn)復用段的過(guò)程。我們知道SDH復用有標準化的復用結構，但每個(gè)國家或地區僅有一種復用路線(xiàn)圖，由硬件和軟件結合來(lái)實(shí)現，靈活方便。而字節間插復用(BIDM，Byte Intertexture Division Multiplexing)是SDH中低級別的同步傳送模塊(STM, Synchronous Transport Module)向高級別同步傳送模塊復用的一種方式，高級別的STM是低級別STM的4倍。如圖1所示的4個(gè)STM-1字節間插復用進(jìn)STM-4的示意圖，當然4個(gè)STM-4字節間插復用進(jìn)STM-16也一樣，其余等級的同步傳送模塊以此類(lèi)推。這里的字節間插是指有規律地分別從4個(gè)STM-1中抽出1個(gè)字節放進(jìn)STM-4中。進(jìn)行字節間插復用，一是體現了SDH同步復用的設計思想；二是由AU-PTR(管理單元指針)的值，再通過(guò)字節間插的規律性，就可以定位低速信號在高速信號中的位置，使低速信號可以方便地分出或插入高速信號，這也是SDH與PDH相比較的優(yōu)勢之一，由于PDH低速信號在高速信號中位置的無(wú)規律性，從而高速信號插/分低速信號要一級一級進(jìn)行復用/解復用，因為復用/解復用會(huì )增加信號的損傷，不利于大容量傳輸。
8極化波復用
極化波復用(Polarization Wavelength Division Multiplexing)是衛星系統中采用的復用技術(shù)，即一個(gè)饋源能同時(shí)接收兩種極化方式的波束，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化。衛星系統中通常采用兩種辦法來(lái)實(shí)現頻率復用：一種是同一頻帶采用不同極化，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化等；另一種是不同波束內重復使用同一頻帶，此辦法廣泛使用于多波束系統中。
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