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计算机网络-信道复用演变1

2023-02-18 23:12 作者:風与枫  | 我要投稿


图0-1:无线/有线网络发展节点

从图0-0可以看到,以数字通信+无线通信方式的电报机要早于基于模拟通信的电话机,实际上,无线通信技术和有线通信技术的发展历史呈现出一个来回摇摆的状态,这个最主要原因就是技术的进步和需求的变更。

1、电报机的通信,就是利用电磁波的无线传播,其本质就是相当于村口的大喇叭,每次通信实际上就是在进行全域广播,只要有相应的接收设备,任何人都可以接收到该电报的信息。由于这种通信方式相当于明码通信,因此对于需要保密的内容,一般都是需要将相应信息进行加密和解密,这就是最早期的通信协议了。通信双方将对应的莫斯电码与手中的密码本对应去做解码译码,就能得到正确的内容。而第三方由于没有这个本子,所以只能收到的就是一段看似杂乱无章的摩斯电码流。而且这通信是单向的,只能是一方发送一方接收。

图1-1:1对N通信

2、早期电话的点对点通信,信号直接使用模拟信号

图2-1:电话-点对点

3、上面的点对点通信方式导致了一个问题,那就是,如果一个人需要与多个人联系,就有可能出现图3-1的场景,屋内摆满电话,跟不同人通信得找到对应的电话才行,这样的通信成本对于电信业务来说简直就是噩梦。

图3-1:成龙-警察故事电影片段
图3-2:1890年的电话通信塔

既然问题提出来了,那么解决方案就是:交换机(人工->程控),用户只需要一根电话线跟电话以及相应的拨号,就能大大的降低铺设电信网络的成本。这种方式本质上依然是点对点的方式,只不过有一个中间件(接话员或者是程控交换机)对相应的通信请求进行一个分配,用户依然是独占一个信道的。这也意味着,每个用户到交换机的通道,都是一个个独立的电信线缆(如图3-2)所示。

4、众所周知,在20世纪前半段,国际社会间起了一点小摩擦,不能说是和睦相处吧,也可以说是你死我活了。由于飞机坦克等机器的投入使用,战场上对于通讯的实时性需求不断激增,这也从一方面去促使人们对这一块投入更多的资源。4、而摩托罗拉的步话机就是在这个背景下诞生的,它通过模数-数模转换方式,成功将语音信息通过无线传播方式进行传输,大大提高了战场通讯的实时性。

图4-1:步话机

5、而时间来到了70年代,摩托罗拉公司推出了第一款民用的移动电话,即1G网络(the first generation),该设计原理主要是通过为每一个用户分配一个专属的频道(频率),即将一段专属的通信频道分配给该电话用户。于是乎,频分复用(FDM:Frequency Division Multiplexing)应运而生。关于傅里叶时域-频域变换有兴趣可以看下这个博主的文章 傅里叶分析之掐死教程(完整版)更新于2014.06.06 - Heinrich的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/19763358

图5-1:傅里叶变换的时域-频域转换

由图5-1可以看到,在同一时刻的,一段模拟电信号,通过傅里叶变换,可以展开为频域的若干正弦信号。正是这个特性,可以将原本人低频的通话内容(300-3400Hz),通过特定的调制器,将其整体的信号进行加上一个频率的偏移(如300-3400Hz -> 300300-303400Hz),这样接收通话方(解调器),就只需要监听300300-303400频带的内容就好,至于其他频带,如(200300-203400)这个范围的,就可以给其他人使用,这样在同样的时间内,只需要提高频道的带宽,理论上确实是可以在同一时刻接受无数设备的通信。

6、同时,由于电磁波在地球上并非是真空传播,它会受到各种介质的阻碍,使得它出现传播距离的衰减,而且频率越高,衰减得越快。这就带来一个问题:在保证通信质量的前提下,我们实际上可用的频带资源是很受限的。但是对于通信的需求,尤其是计算机通信需求和民间通讯需求的激增,现有的频道资源是完全不够的。而且当前主流自然语言中,语速最快的日语语速也不到8个音节/秒,这种直接将一段频道完全分配给个人的方式是极大的资源浪费。因此又引出了另外一个技术:时分复用(TDM:Time Division Multiplexing)。该项技术的观点就是,因为人在每秒内输出的信息量是有限的,而这会导致这条信道的利用率低得吓人。既然这样,就可以让多个用户共享一个频道,然后将这个频道一秒的时间切成若干份,平均分配给对应的用户,这样既能充分利用有限的频带资源,也能保证用户的正常使用。

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