多路復(fù)用技術(shù)原理解析

多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用技術(shù)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道的技術(shù)，它可以有效的提高數(shù)據(jù)鏈路的利用率，從而使得一條高速的主干鏈路同時(shí)為多條低速的接入鏈路提供服務(wù)，也就是使得網(wǎng)絡(luò)干線可以同時(shí)運(yùn)載大量的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸。多路復(fù)用技術(shù)是為了充分利用傳輸媒體，人們研究了在一條物理線路上建立多個(gè)通信信道的技術(shù)。

多路復(fù)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是，將一個(gè)區(qū)域的多個(gè)用戶數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送多路復(fù)用器進(jìn)行匯集，然后將匯集后的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)物理線路進(jìn)行傳送，接收多路復(fù)用器再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分發(fā)到多個(gè)用戶。多路復(fù)用通常分為頻分多路復(fù)用、時(shí)分多路復(fù)用、波分多路復(fù)用、碼分多址和空分多址。

頻分多路復(fù)用

頻分多路復(fù)用技術(shù)FDM（Frequency Division Multiplexing）。

頻分多路復(fù)用利用通信線路的可用帶寬超過(guò)了給定的帶寬這一優(yōu)點(diǎn)。頻分多路復(fù)用的基本原理是：如果每路信號(hào)以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制，而且各個(gè)載波頻率是完全獨(dú)立的，即各個(gè)信道所占用的頻帶不相互重疊，相鄰信道之間用“警戒頻帶”隔離，那么每個(gè)信道就能獨(dú)立地傳輸一路信號(hào)。

頻分多路復(fù)用的主要特點(diǎn)是，信號(hào)被劃分成若干通道（頻道，波段），每個(gè)通道互不重疊，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。每個(gè)載波信號(hào)形成一個(gè)不重疊、相互隔離（不連續(xù)）的頻帶。接收端通過(guò)帶通濾波器來(lái)分離信號(hào)。頻分多路復(fù)用在無(wú)線電廣播和電視領(lǐng)域中的應(yīng)用較多。ADSL也是一個(gè)典型的頻分多路復(fù)用。ADSL用頻分多路復(fù)用的方法，在PSTN使用雙絞線上劃分出三個(gè)頻段：0~4kHz用來(lái)傳送傳統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)；20~50kHz用來(lái)傳送計(jì)算機(jī)上載的數(shù)據(jù)信息；150~500kHz或140~1100kHz用來(lái)傳送從服務(wù)器上下載的數(shù)據(jù)信息。

時(shí)分多路復(fù)用

時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)TDM（Time Division Multiplexing）

時(shí)分多路復(fù)用是以信道傳輸時(shí)間作為分割對(duì)象，通過(guò)為多個(gè)信道分配互不重疊的時(shí)間片段的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。時(shí)分多路復(fù)用將用于傳輸?shù)臅r(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間片段，每個(gè)用戶分得一個(gè)時(shí)間片。時(shí)分多路復(fù)用通信，是各路信號(hào)在同一信道上占有不同時(shí)間片進(jìn)行通信。由抽樣理論可知，抽樣的一個(gè)重要作用，是將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上的離散信號(hào)，其在信道上占用時(shí)間的有限性，為多路信號(hào)沿同一信道傳輸提供條件。具體說(shuō)就是把時(shí)間分成一些均勻的時(shí)間片，通過(guò)同步（固定分配）或統(tǒng)計(jì)（動(dòng)態(tài)分配）的方式，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間配分在不同的時(shí)間片，以達(dá)到互相分開(kāi)，互不干擾的目的。

至2011年9月，應(yīng)用最廣泛的時(shí)分多路復(fù)用是貝爾系統(tǒng)的T1載波。T1載波是將24路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上，每路音頻信號(hào)在送到多路復(fù)用器之前，要通過(guò)一個(gè)脈沖編碼調(diào)制編碼器，編碼器每秒抽樣8000次。24路信號(hào)的每一路，輪流將一個(gè)字節(jié)插入到幀中，每個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度為8位，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制。每幀由24×8=192位組成，附加1bit作為幀的開(kāi)始標(biāo)志位，所以每幀共有193bit。由于發(fā)送一幀需要125ms，一秒鐘可以發(fā)送8000幀。因此T1載波數(shù)據(jù)傳輸速率為：

193bit×8000=1544000bps=1544Kbps=1.544Mbps

波分多路復(fù)用

波分多路復(fù)用技術(shù)WDM（Wavelength Division Multiplexing）

波分復(fù)用用同一根光纖內(nèi)傳輸多路不用波長(zhǎng)的光信號(hào)，以提高單根光纖的傳輸能力。因?yàn)楣馔ㄐ诺墓庠丛诠馔ㄐ诺摹按翱凇鄙现徽加昧撕苷囊徊糠郑€有很大的范圍沒(méi)有利用。

也可以這樣認(rèn)為WDM是FDM應(yīng)用于光纖信道的一個(gè)變例。如果讓不用波長(zhǎng)的光信號(hào)在同一根光纖上傳輸而互不干擾，利用多個(gè)波長(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)的光源同時(shí)在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就可以增加所傳輸?shù)男畔⑷萘?。由于是用不同的波長(zhǎng)傳送各自的信息，因此即使在同一根光纖上也不會(huì)相互干擾。在接收端轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，可以獨(dú)立地保持每個(gè)不同波長(zhǎng)的光源所傳送的信息。這種方式就叫做“波分復(fù)用”。

如果將一系列載有信息的不同波長(zhǎng)的光載波，在光領(lǐng)域內(nèi)以1至幾百納米的波長(zhǎng)間隔合在一起沿單根光纖傳輸，在接收器再一一定的方法，將各個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波分開(kāi)。在光纖上的工作窗口上安排100個(gè)波長(zhǎng)不同的光源，同時(shí)在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就能使光纖通信系統(tǒng)的容量提高100倍。

碼分多址

碼分多址技術(shù)CDMA（Code Division Multiple Access）

碼分多址是采用地址碼和時(shí)間、頻率共同區(qū)分信道的方式。CDMA的特征是個(gè)每個(gè)用戶有特定的地址碼，而地址碼之間相互具有正交性，因此各用戶信息的發(fā)射信號(hào)在頻率、時(shí)間和空間上都可能重疊，從而使用有限的頻率資源得到利用。

CDMA是在擴(kuò)頻技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)，即將需要傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)，從一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端也使用完全相同的偽隨機(jī)碼，對(duì)接受的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。

不同的移動(dòng)臺(tái)（或手機(jī)）可以使用同一個(gè)頻率，但是每個(gè)移動(dòng)臺(tái)（或手機(jī)）都被分配帶有一個(gè)獨(dú)特的“碼序列”，該序列碼與所有別的“序列碼”都不相同，因?yàn)槭强坎煌摹按a序列”來(lái)區(qū)分不同的移動(dòng)臺(tái)（或手機(jī)），所以各個(gè)用戶相互之間也沒(méi)有干擾從而達(dá)到了多路復(fù)用的目的。

空分多址

空分多址技術(shù)SDMA（Space Division Multiple Access）

這種技術(shù)是將空間分割構(gòu)成不同的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用，達(dá)到信道增容的目的。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)衛(wèi)星上使用多個(gè)天線，各個(gè)天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域地面上不同區(qū)域的地球站，他們?cè)谕粫r(shí)間，即使用相同的頻率進(jìn)行工作，它們之間也不會(huì)形成干擾。SDMA系統(tǒng)的處理程序如下：

1、系統(tǒng)將首先對(duì)來(lái)自所有天線中的信號(hào)進(jìn)行快照或取樣，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。

2、計(jì)算機(jī)中的SDMA處理器將立即分析樣本，對(duì)無(wú)線環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)用戶、干擾源及所在的位置。

3、處理器對(duì)天線信號(hào)的組合方式進(jìn)行計(jì)算，力爭(zhēng)最佳地恢復(fù)用戶的信號(hào)。借助這種策略，每位用戶的信號(hào)接收質(zhì)量將提高，而其他用戶的信號(hào)或干擾信號(hào)則會(huì)遭到屏蔽。

4、系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號(hào)。再次在此基礎(chǔ)上，每位用戶的信號(hào)都可以通過(guò)單獨(dú)的通信信道空間-空間信道實(shí)現(xiàn)高效的傳輸。

5、在上述處理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接受信號(hào)，從而使這些信號(hào)稱為雙向信道。

利用上述流程，SDMA系統(tǒng)就能夠在一條普通信道上創(chuàng)建大量的頻分、時(shí)分或碼分雙向空間信道，沒(méi)一條信道扣可以完全活的整個(gè)陣列的增益和抗干擾功能。從理論上而言，帶m個(gè)單元的陣列能夠在每條普通行道上支持m條空間信道。但在實(shí)際應(yīng)用中支持的信道數(shù)量將略低于這個(gè)數(shù)目，具體情況則取決于環(huán)境。由此可見(jiàn)，SDMA系統(tǒng)可使系統(tǒng)容量成倍增加，使得系統(tǒng)在有限的頻譜內(nèi)可以支持更多的用戶，從而成倍的提高頻譜使用效率。

自2011年9月，近幾十年來(lái)，無(wú)線通信經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，從固定到移動(dòng)的重大變革。而就移動(dòng)通信而言，為了更有效地利用有限的無(wú)線頻率資源，時(shí)分多址技術(shù)（TDMA）、頻分多址技術(shù)（FDMA）、碼分多址技術(shù)（CDMA）得到了廣泛的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上建立了GSM和CDMA（是區(qū)別于3G的窄帶CDMA）兩大主要的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。就技術(shù)而言，現(xiàn)有的這三種多址技術(shù)已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，頻譜的使用效率已經(jīng)發(fā)揮到了極限?？辗侄嘀芳夹g(shù)（SDMA）則突破了傳統(tǒng)的三維思維模式，在傳統(tǒng)的三維技術(shù)的基礎(chǔ)上，在第四維空間上極大地拓寬了頻譜的使用方式，使用移動(dòng)用戶僅僅由于空間位置的不同而復(fù)用同一個(gè)傳統(tǒng)的物理信道稱為可能，并將移動(dòng)通信技術(shù)引入了一個(gè)更為嶄新的領(lǐng)域。

多路復(fù)用是什么意思？

在I/O編程過(guò)程中，當(dāng)需要同時(shí)處理多個(gè)客戶端接入請(qǐng)求時(shí)，可以利用多線程或者I/O多路復(fù)用技術(shù)進(jìn)行處理。I/O多路復(fù)用技術(shù)通過(guò)把多個(gè)I/O的阻塞復(fù)用到同一個(gè)select的阻塞上，從而使得系統(tǒng)在單線程的情況下可以同時(shí)處理多個(gè)客戶端請(qǐng)求。與傳統(tǒng)的多線程/多進(jìn)程模型比，I/O多路復(fù)用的最大優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)開(kāi)銷小，系統(tǒng)不需要?jiǎng)?chuàng)建新的額外進(jìn)程或者線程，也不需要維護(hù)這些進(jìn)程和線程的運(yùn)行，降底了系統(tǒng)的維護(hù)工作量，節(jié)省了系統(tǒng)資源，I/O多路復(fù)用的主要應(yīng)用場(chǎng)景如下：

服務(wù)器需要同時(shí)處理多個(gè)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)或者多個(gè)連接狀態(tài)的套接字。

服務(wù)器需要同時(shí)處理多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的套接字。

目前支持I/O多路復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用有 select，pselect，poll，epoll，在Linux網(wǎng)絡(luò)編程過(guò)程中，很長(zhǎng)一段時(shí)間都使用select做輪詢和網(wǎng)絡(luò)事件通知，然而select的一些固有缺陷導(dǎo)致了它的應(yīng)用受到了很大的限制，最終Linux不得不在新的內(nèi)核版本中尋找select的替代方案，最終選擇了epoll。epoll與select的原理比較類似，為了克服select的缺點(diǎn)，epoll作了很多重大改進(jìn)，現(xiàn)總結(jié)如下：

1. 支持一個(gè)進(jìn)程打開(kāi)的socket描述符（FD）不受限制（僅受限于操作系統(tǒng)的最大文件句柄數(shù)）。

select最大的缺陷就是單個(gè)進(jìn)程所打開(kāi)的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE設(shè)置，默認(rèn)值是1024。對(duì)于那些需要支持上萬(wàn)個(gè)TCP連接的大型服務(wù)器來(lái)說(shuō)顯然太少了。可以選擇修改這個(gè)宏，然后重新編譯內(nèi)核，不過(guò)這會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)效率的下降。我們也可以通過(guò)選擇多進(jìn)程的方案（傳統(tǒng)的Apache方案）解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)雖然在Linux上創(chuàng)建進(jìn)程的代價(jià)比較小，但仍舊是不可忽視的，另外，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換非常麻煩，對(duì)于Java由于沒(méi)有共享內(nèi)存，需要通過(guò)Socket通信或者其他方式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，這帶來(lái)了額外的性能損耗，增加了程序復(fù)雜度，所以也不是一種完美的解決方案。值得慶幸的是，epoll并沒(méi)有這個(gè)限制，它所支持的FD上限是操作系統(tǒng)的最大文件句柄數(shù)，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1024。例如，在1GB內(nèi)存的機(jī)器上大約是10萬(wàn)個(gè)句柄左右，具體的值可以通過(guò)cat/proc/sys/fs/filemax察看，通常情況下這個(gè)值跟系統(tǒng)的內(nèi)存關(guān)系比較大。

2. I/O效率不會(huì)隨著FD數(shù)目的增加而線性下降。

傳統(tǒng)的select/poll另一個(gè)致命弱點(diǎn)就是當(dāng)你擁有一個(gè)很大的socket集合，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)或者鏈路空閑，任一時(shí)刻只有少部分的socket是“活躍”的，但是select/poll每次調(diào)用都會(huì)線性掃描全部集合，導(dǎo)致效率呈現(xiàn)線性下降。epoll不存在這個(gè)問(wèn)題，它只會(huì)對(duì)“活躍”的socket進(jìn)行操作-這是因?yàn)樵趦?nèi)核實(shí)現(xiàn)中epoll是根據(jù)每個(gè)fd上面的callback函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，那么，只有“活躍”的socket才會(huì)主動(dòng)的去調(diào)用callback函數(shù)，其他idle狀態(tài)socket則不會(huì)。在這點(diǎn)上，epoll實(shí)現(xiàn)了一個(gè)偽AIO。針對(duì)epoll和select性能對(duì)比的benchmark測(cè)試表明：如果所有的socket都處于活躍態(tài)。例如一個(gè)高速LAN環(huán)境，epoll并不比select/poll效率高太多；相反，如果過(guò)多使用epoll_ctl，效率相比還有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模擬WAN環(huán)境，epoll的效率就遠(yuǎn)在select/poll之上了。

3. 使用mmap加速內(nèi)核與用戶空間的消息傳遞

無(wú)論是select，poll還是epoll都需要內(nèi)核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內(nèi)存復(fù)制就顯得非常重要，epoll是通過(guò)內(nèi)核和用戶空間mmap使用同一塊內(nèi)存實(shí)現(xiàn)。

4. epoll的API更加簡(jiǎn)單

用來(lái)克服select/poll缺點(diǎn)的方法不只有epoll，epoll只是一種Linux的實(shí)現(xiàn)方案。在freeBSD下有kqueue，而dev/poll是最古老的Solaris的方案，使用難度依次遞增。但epoll更加簡(jiǎn)單。