多路復用技術原理解析

多路復用技術

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，它可以有效的提高數據鏈路的利用率，從而使得一條高速的主干鏈路同時為多條低速的接入鏈路提供服務，也就是使得網絡干線可以同時運載大量的語音和數據傳輸。多路復用技術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通信信道的技術。

多路復用技術的實質是，將一個區域的多個用戶數據通過發送多路復用器進行匯集，然后將匯集后的數據通過一個物理線路進行傳送，接收多路復用器再對數據進行分離，分發到多個用戶。多路復用通常分為頻分多路復用、時分多路復用、波分多路復用、碼分多址和空分多址。

頻分多路復用

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

頻分多路復用利用通信線路的可用帶寬超過了給定的帶寬這一優點。頻分多路復用的基本原理是：如果每路信號以不同的載波頻率進行調制，而且各個載波頻率是完全獨立的，即各個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，那么每個信道就能獨立地傳輸一路信號。

頻分多路復用的主要特點是，信號被劃分成若干通道（頻道，波段），每個通道互不重疊，獨立進行數據傳遞。每個載波信號形成一個不重疊、相互隔離（不連續）的頻帶。接收端通過帶通濾波器來分離信號。頻分多路復用在無線電廣播和電視領域中的應用較多。ADSL也是一個典型的頻分多路復用。ADSL用頻分多路復用的方法，在PSTN使用雙絞線上劃分出三個頻段：0~4kHz用來傳送傳統的語音信號；20~50kHz用來傳送計算機上載的數據信息；150~500kHz或140~1100kHz用來傳送從服務器上下載的數據信息。

時分多路復用

時分多路復用技術TDM（Time Division Multiplexing）

時分多路復用是以信道傳輸時間作為分割對象，通過為多個信道分配互不重疊的時間片段的方法來實現多路復用。時分多路復用將用于傳輸的時間劃分為若干個時間片段，每個用戶分得一個時間片。時分多路復用通信，是各路信號在同一信道上占有不同時間片進行通信。由抽樣理論可知，抽樣的一個重要作用，是將時間上連續的信號變成時間上的離散信號，其在信道上占用時間的有限性，為多路信號沿同一信道傳輸提供條件。具體說就是把時間分成一些均勻的時間片，通過同步（固定分配）或統計（動態分配）的方式，將各路信號的傳輸時間配分在不同的時間片，以達到互相分開，互不干擾的目的。

至2011年9月，應用最廣泛的時分多路復用是貝爾系統的T1載波。T1載波是將24路音頻信道復用在一條通信線路上，每路音頻信號在送到多路復用器之前，要通過一個脈沖編碼調制編碼器，編碼器每秒抽樣8000次。24路信號的每一路，輪流將一個字節插入到幀中，每個字節的長度為8位，其中7位是數據位，1位用于信道控制。每幀由24×8=192位組成，附加1bit作為幀的開始標志位，所以每幀共有193bit。由于發送一幀需要125ms，一秒鐘可以發送8000幀。因此T1載波數據傳輸速率為：

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

波分多路復用

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

波分復用用同一根光纖內傳輸多路不用波長的光信號，以提高單根光纖的傳輸能力。因為光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，還有很大的范圍沒有利用。

也可以這樣認為WDM是FDM應用于光纖信道的一個變例。如果讓不用波長的光信號在同一根光纖上傳輸而互不干擾，利用多個波長適當錯開的光源同時在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就可以增加所傳輸的信息容量。由于是用不同的波長傳送各自的信息，因此即使在同一根光纖上也不會相互干擾。在接收端轉換成電信號時，可以獨立地保持每個不同波長的光源所傳送的信息。這種方式就叫做“波分復用”。

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

碼分多址

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

碼分多址是采用地址碼和時間、頻率共同區分信道的方式。CDMA的特征是個每個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射信號在頻率、時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是在擴頻技術上發展起來的無線通信技術，即將需要傳送的具有一定信號帶寬的信息數據，從一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發送出去。接收端也使用完全相同的偽隨機碼，對接受的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。

不同的移動臺（或手機）可以使用同一個頻率，但是每個移動臺（或手機）都被分配帶有一個獨特的“碼序列”，該序列碼與所有別的“序列碼”都不相同，因為是靠不同的“碼序列”來區分不同的移動臺（或手機），所以各個用戶相互之間也沒有干擾從而達到了多路復用的目的。

空分多址

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

這種技術是將空間分割構成不同的信道，從而實現頻率的重復使用，達到信道增容的目的。舉例來說，在一個衛星上使用多個天線，各個天線的波束射向地球表面的不同區域地面上不同區域的地球站，他們在同一時間，即使用相同的頻率進行工作，它們之間也不會形成干擾。SDMA系統的處理程序如下：

1、系統將首先對來自所有天線中的信號進行快照或取樣，然后將其轉換成數字形式，并存儲在內存中。

2、計算機中的SDMA處理器將立即分析樣本，對無線環境進行評估，確認用戶、干擾源及所在的位置。

3、處理器對天線信號的組合方式進行計算，力爭最佳地恢復用戶的信號。借助這種策略，每位用戶的信號接收質量將提高，而其他用戶的信號或干擾信號則會遭到屏蔽。

4、系統進行模擬計算，使天線陣列可以有選擇地向空間發送信號。再次在此基礎上，每位用戶的信號都可以通過單獨的通信信道空間-空間信道實現高效的傳輸。

5、在上述處理的基礎上，系統就能夠在每條空間信道上發送和接受信號，從而使這些信號稱為雙向信道。

利用上述流程，SDMA系統就能夠在一條普通信道上創建大量的頻分、時分或碼分雙向空間信道，沒一條信道扣可以完全活的整個陣列的增益和抗干擾功能。從理論上而言，帶m個單元的陣列能夠在每條普通行道上支持m條空間信道。但在實際應用中支持的信道數量將略低于這個數目，具體情況則取決于環境。由此可見，SDMA系統可使系統容量成倍增加，使得系統在有限的頻譜內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，無線通信經歷了從模擬到數字，從固定到移動的重大變革。而就移動通信而言，為了更有效地利用有限的無線頻率資源，時分多址技術（TDMA）、頻分多址技術（FDMA）、碼分多址技術（CDMA）得到了廣泛的應用，并在此基礎上建立了GSM和CDMA（是區別于3G的窄帶CDMA）兩大主要的移動通信網絡。就技術而言，現有的這三種多址技術已經得到了充分的應用，頻譜的使用效率已經發揮到了極限?？辗侄嘀芳夹g（SDMA）則突破了傳統的三維思維模式，在傳統的三維技術的基礎上，在第四維空間上極大地拓寬了頻譜的使用方式，使用移動用戶僅僅由于空間位置的不同而復用同一個傳統的物理信道稱為可能，并將移動通信技術引入了一個更為嶄新的領域。

多路復用是什么意思？

在I/O編程過程中，當需要同時處理多個客戶端接入請求時，可以利用多線程或者I/O多路復用技術進行處理。I/O多路復用技術通過把多個I/O的阻塞復用到同一個select的阻塞上，從而使得系統在單線程的情況下可以同時處理多個客戶端請求。與傳統的多線程/多進程模型比，I/O多路復用的最大優勢是系統開銷小，系統不需要創建新的額外進程或者線程，也不需要維護這些進程和線程的運行，降底了系統的維護工作量，節省了系統資源，I/O多路復用的主要應用場景如下：

服務器需要同時處理多個處于監聽狀態或者多個連接狀態的套接字。

服務器需要同時處理多種網絡協議的套接字。

目前支持I/O多路復用的系統調用有 select，pselect，poll，epoll，在Linux網絡編程過程中，很長一段時間都使用select做輪詢和網絡事件通知，然而select的一些固有缺陷導致了它的應用受到了很大的限制，最終Linux不得不在新的內核版本中尋找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，epoll作了很多重大改進，現總結如下：

1. 支持一個進程打開的socket描述符（FD）不受限制（僅受限于操作系統的最大文件句柄數）。

select最大的缺陷就是單個進程所打開的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE設置，默認值是1024。對于那些需要支持上萬個TCP連接的大型服務器來說顯然太少了?？梢赃x擇修改這個宏，然后重新編譯內核，不過這會帶來網絡效率的下降。我們也可以通過選擇多進程的方案（傳統的Apache方案）解決這個問題，不過雖然在Linux上創建進程的代價比較小，但仍舊是不可忽視的，另外，進程間的數據交換非常麻煩，對于Java由于沒有共享內存，需要通過Socket通信或者其他方式進行數據同步，這帶來了額外的性能損耗，增加了程序復雜度，所以也不是一種完美的解決方案。值得慶幸的是，epoll并沒有這個限制，它所支持的FD上限是操作系統的最大文件句柄數，這個數字遠遠大于1024。例如，在1GB內存的機器上大約是10萬個句柄左右，具體的值可以通過cat/proc/sys/fs/filemax察看，通常情況下這個值跟系統的內存關系比較大。

2. I/O效率不會隨著FD數目的增加而線性下降。

傳統的select/poll另一個致命弱點就是當你擁有一個很大的socket集合，由于網絡延時或者鏈路空閑，任一時刻只有少部分的socket是“活躍”的，但是select/poll每次調用都會線性掃描全部集合，導致效率呈現線性下降。epoll不存在這個問題，它只會對“活躍”的socket進行操作-這是因為在內核實現中epoll是根據每個fd上面的callback函數實現的，那么，只有“活躍”的socket才會主動的去調用callback函數，其他idle狀態socket則不會。在這點上，epoll實現了一個偽AIO。針對epoll和select性能對比的benchmark測試表明：如果所有的socket都處于活躍態。例如一個高速LAN環境，epoll并不比select/poll效率高太多；相反，如果過多使用epoll_ctl，效率相比還有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模擬WAN環境，epoll的效率就遠在select/poll之上了。

3. 使用mmap加速內核與用戶空間的消息傳遞

無論是select，poll還是epoll都需要內核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內存復制就顯得非常重要，epoll是通過內核和用戶空間mmap使用同一塊內存實現。

4. epoll的API更加簡單

用來克服select/poll缺點的方法不只有epoll，epoll只是一種Linux的實現方案。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更加簡單。