2.4.1 频分复用、时分复用 和 统计时分复用

复用

• 一个信道 只传送 一个信号 太浪费了
  前面为了提高信号传输速率想了很多方法：提高信噪比、编码…
  可否一个信道能同时传送多个信号来提高利用率：复用

• 复用
  如下，A₁，B₁, C₁ 分别使用单独的信道 和 A₂，B₂, C₂ 通信，需要 3 个信道
  复用技术就是：
  在发送端使用一个 复用器，让 A₁，B₁, C₁ 使用一个共享信道（高速信道）进行通信
  在接收端使用 分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点
  
  共享信道就是多个信号在同一信道里面各走各的路
  比如
  一个在地上走，一个在天上飞
  你走我不走，你不走我走
  先后走
  轮流走等等

• 复用和分用 分别用到 复用器和分用器
  复用器和分用器之间是 用户共享的高速信道
  二者作用相反
  分用器把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户

频分复用 （FDM，frequency division multiplexing ）

• 描述
  将 整个带宽（频率）分成多个频带，用户在通信过程中 始终 占用这个频带。
  频分复用的所有用户在同一时间占用不同的带宽资源（频率）
  

• 在使用频分复用时
  若每个用户占用的带宽（频率）不变，
  当复用的用户数增加时，复用后信道的总带宽就跟着变宽
  如传统电话通信每一个标准话路的带宽是 4 kHz（通信用 3.1 kHz 加上两边的保护频带），当有 1000 个用户进行 频分复用时，服用后的总带宽就是 4 MHz

• 香农公式中
  
  W 越大，频带越宽，就能将信道划分成更多的频带用来传输数据
  因此 速率上限变大

• 频分复用和时分复用的技术都比较成熟，但不够灵活，时分信号更有利于数字信号的传输

时分复用（TDM，time division multiplexing ）

• 描述
  所有参与复用的用户在 不同的时间 占用 相同的频带宽度
  将 时间 划分为一段段等长的 时分复用帧（TDM帧）
时分复用的每一个用户 在 每一个TDM帧 中占用 固定序号的时间片，因此 TDM 信号又叫 等时信号
  如下图，四个用户时分复用一个信道，每个用户占用 1 / 4 个 TDM帧
  
• 特点
  频分复用和时分复用的技术都比较成熟，但不够灵活，时分信号更有利于数字信号的传输
  当某个用户暂时无数据发送时（计算机数据的突发性和不规律性），在自己的时分复用帧（时隙）上，信道是空闲的
  参与复用的其它用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源
  因此时分复用系统的利用率不高
  
• 在使用时分复用时
  一个时分复用系统 的 每一个时分复用帧 的长度是不变的
  若 1000 个用户进行时分复用，每个用户分配到的时隙宽度就是一个时分复用帧的千分之一，时隙宽度非常窄

统计时分复用（STDM，statistic TDM）

• 描述
  使用 STDM 帧 来传输数据
  每一个 STDM 帧的时隙数 小于 连接在集中器上的用户数
  各用户有了数据就随时发往 集中器的输入缓存
  然后集中器按照 一定顺序 依次扫描用户是否输入，把缓存中的输入数据放到 STDM 帧中，
  没有数据的缓存就跳过去，当一个帧的数据放满了才发送出去。

• 举例
  集中器 常使用 统计时分复用系统
  如下图：一个使用统计时分复用的集中器 连接 4 个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过 高速线路 发送到一个远地计算机
  

• STDM帧 中的时隙不是固定地分配给某个用户，因此每个时隙中还必须要有 用户的地址信息，因此造成开销
  如上图，输出线路上每个时隙之前的 短时隙（白色） 用于存放 用户地址信息

• 使用统计复用的集中器相关
  能提供对整个报文的存储转发能力（但大部分一次只能存一个字符或者比特）
  能排队分配信道资源
  还可具有路由选择、数据压缩、纠错等功能

• 特点
  时分复用的改进，大大提高了信道的利用率
  按需动态分配时隙，由此提高线路资源利用率
  在输出线路上，某一用户所占的时隙并不是 周期性出现
  若所有用户都不间断向集中器发送数据，那么集中器将无法应付，内部设置的缓存将溢出，因此集中器正常工作的前提是假定各个用户都是间歇工作
  相比普通时分复用，有地址信息的额外开销
  TDM帧 和 STDM帧 都是在 物理层 的 比特流 中划分的，和 数据链路层 的 帧 是两回事
  统计时分复用又叫做 异步时分复用，普通的时分复用又叫 同步时分复用