计算机网络：信道划分介质访问控制

计算机网络：信道划分介质访问控制

介质访问控制所要完成的主要任务是：为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。

用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制(Medium Access Control，MAC)子层。

常见的介质访问控制方法有信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制。其中前者是静态划分信道的方法，而后两者是动态分配信道的方法。

信道划分介质访问控制

把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。

多路复用技术把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高了信道的利用率。

信道划分的实质就是通过分时、分频、分码等方法把原来的一条广播信道，逻辑上分为多条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是把广播信道转变为点对点信道。

频分多路复用（FDM)

频分多路复用是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号的多路复用技术。

每个子信道分配的带宽可不相同，但它们的总和必须不超过信道的总带宽。在实际应用中，为了防止子信道之间的干扰,相邻信道之间需要加入“保护频带”。

频分多路复用的优点在于充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高。

时分多路复用(TDM)

时分多路复用是将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个信号。

TDM的信道的利用率一般不高。

统计时分多路复用(STDM，又称异步时分多路复用）是 TDM 的一种改进，它采用 STDM帧，STDM帧并不固定分配时隙，而按需动态地分配时隙，当终端有数据要传送时，才会分配到时间片，因此可以提高线路的利用率。

波分多路复用(WDM)

波分多路复用即光的频分多路复用，它在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。由于光波处于频谱的高频段，有很高的带宽，因而可以实现多路的波分复用。

码分多路复用(CDM)

码分多路复用是采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。与FDM和TDM不同，它既共享信道的频率，又共享时间。

实际上，更常用的名词是码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)，其原理是每个比特时间再划分成m个短的时间槽，称为码片(Chip)，通常m的值是64或128，下例中为简单起见，设m为8。每个站点被指派一个唯一的m位码片序列。发送1时，站点发送它的码片序列; 发送0时，站点发送该码片序列的反码。当两个或多个站点同时发送时，各路数据在信道中线性相加。为从信道中分离出各路信号，要求各个站点的码片序列相互正交。

简单理解就是，A站向C站发出的信号用一个向量来表示，B站向C站发出的信号用另一个向量来表示，两个向量要求相互正交。向量中的分量，就是所谓的码片。

下面举例说明CDMA的原理。

假如站点A的码片序列被指派为00011011，则A站发送00011011就表示发送比特1，发送11100100就表示发送比特0。为了方便，按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1，因此A站的码片序列是-1-1 -1+1+1 -1+1+1。

令向量S表示A站的码片向量，令T表示B站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，即向量S和T的规格化内积（Inner Product）为0:

$$\boldsymbol{S} \cdot \boldsymbol{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} T_{i}=0$$

任何一个码片向量和该码片向量自身的规格化内积都是1，任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是-1，如

$$S \cdot S=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} S_{i}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i}^{2}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}(\pm 1)^{2}=1$$

令向量T为(-1-1+1 -1+1+1 +1 -1)。

当A站向C站发送数据1时，就发送了向量（-1-1-1+1+1-1+1+1 )。当B站向C站发送数据0时，就发送了向量（+1+1 -1 +1 -1 -1 -1+1)。两个向量到了公共信道上就进行叠加，实际上就是线性相加，得到 S - T =(0 0 -2 2 0 -2 0 2)

到达C站后，进行数据分离，如果要得到来自A站的数据，C站就必须知道A站的码片序列，让S与S-T进行规格化内积。

根据叠加原理，其他站点的信号都在内积的结果中被过滤掉了，内积的相关项都是0，而只剩下A站发送的信号。得到S*(S-T)=1, 所以A站发出的数据是1。

同理，如果要得到来自B站的数据，那么T*(S-T) = -1 因此从B站发送过来的信号向量是一个反码向量，代表0。

规格化内积是线性代数中的内容，它是在得到两个向量的内积后再除以向量的分量的个数。码分多路复用技术具有频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性强、语音质量好等优点。

参考资料：

谢希仁．计算机网络（第8版）[M]．北京：电子工业出版社，2021.

James F.Kurose，Keith W.Ross.计算机网络:自顶向下方法[M]．北京：机械工业出版社，2019.

2023年王道计算机复习指导[M]．北京：电子工业出版社，2021.