《通信系统原理》课件第11章

11.1通信资源的分配

11.2频分复用和频分多址

11.3时分复用和时分多址

11.4码分多址

11.5空分多址和极分多址

11.6多址通信系统及其结构

11.7局域网的多址接入技术

思考题

习题

第11章多路复用和多址接入11.1通信资源的分配多路复用和多址接入都是指通信资源的共享，但是两者有所不同。就多路复用而言，用户对资源共享的需求是固定的或者缓慢变化的，资源已经预先分配，共享通常发生在局部端点，例如一块电路板上。而多址接入则通常包括资源的远程共享，例如蜂窝移动通信中不同用户对系统的接入需求。对于动态变化的多址接入系统，控制中心还必须知道每个用户对通信资源的需求。信息传输所需的时间也是系统开销的一部分，它决定了通信资源利用率的上限。提高通信资源的吞吐量(即总数据速率)的基本方法有三种。第一种是提高发信机的有效各向同性辐射功率(EIRP，EffectiveIsotropicRadiatedPower)或者降低系统损耗，从而提高接收端的信噪比。第二种方法是提供更多的信道带宽等通信资源。第三种方法是更高效地分配通信资源，这是多址接入技术的主要研究领域。例如对于卫星通信而言，大量用户之间以各种比特速率和占空比相互传递数字信息，如何有效地将卫星转发器的固定的通信资源分配给这些用户，是多路复用和多址接入需要解决的问题。多路复用和多址接入所采用的通信资源的基本分配方法主要有以下几种：

(1)频分多路复用/频分多址(FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess)：对通信资源中的频率的特定子频带进行分配。

(2)时分多路复用/时分多址(TDMA，TimeDivisionMultipleAccess)：系统对周期循环的时隙进行分配，有些系统为用户分配固定的时隙，有些系统则让用户采用随机访问的方式共享时间资源。

(3)码分多路复用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)/码分多址(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)：利用各路信号码型结构的正交性而实现的通信资源分配。系统为用户分配一个正交或者接近正交的扩频码本集合中的一个码本，每个用户都使用全部信道带宽。

(4)多波束频率复用/空分多址(SDMA，SpaceDivisionMultipleAccess)：采用点波束天线通过指向不同的方向来实现信号的复用，允许同一频带的再利用。

(5)极化复用(PDM，PoarizationDivisionMultiplexing)/极分多址(PDMA，PoarizationDivisionMultipleAccess)：采用正交极化天线来分离信号，允许同一频带的再使用。所有多路复用和多址接入方案的关键是，各种信号在共享通信资源时，不会在检测过程中产生难以处理的相互干扰，即一个信道上传输的信号不能显著地增加另一个信道中传输的信号的误码率，这就要求信号应当是正交的或者是接近正交的。信号波形xi(t)(i=1，2，…)如果在时域中满足

(11.1)则它们是正交的，其中K是一个非零常量。如果信号在频域中满足

(11.2)

则它们也是正交的，其中函数Xi(f)是xi(t)的傅里叶变换。用式(11.1)表示的正交波形的信道化就称为时分复用或者时分多址；同样，用式(11.2)表示的正交频谱的信道化就称为频分复用或者频分多址。多址接入的基本思想可以用图11.1描述。图中通信资源用一个频率-时间平面描述，不同的频率-时间分配方案给出了不同的接入方式。图11.1多址技术的基本思想11.2频分复用和频分多址11.2.1频分复用原理频分复用是指将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区间，每个小区间能顺利通过一路信号。可以利用对正弦波调制的方法，先将各路信号分别调制在不同的副载波上，即将各路信号的频谱分别搬到相应的小区间里，然后把它们一起发送出去。在接收端用中心频率调在各个副载波上的带通滤波器将各路已调信号分离开来，再进行相应的解调，取出各路信号。频分复用技术的应用很多，例如载波电话、调频立体声、电视广播、空间遥测装置等。一个3路带限调制信号的多路频分复用原理如图11.2所示。从图中可以看出，3路调制信号分别通过低通滤波器(LPF)，形成带限调制信号，以避免调制后对邻路信号的干扰(频谱重叠)。带限信号对副载波fC1、fC2、fC3进行SSB调制，产生xC1(t)、xC2(t)、xC3(t)，然后将它们相加得到x(t)，称为频分复用信号。只要适当选择副载波，并且调制信号又是带限的，就不会产生各路信号频谱重叠的现象。频分复用信号可以直接通过信道传输，称为一次调制；也可以将频分复用信号再对某个载波fC调制后传输，称为二次调制。在二次调制中，为了节约复用信号的频谱宽度，第一次调制通常采用SSB调制，而第二次调制为了提高抗干扰性能，通常采用FM调制。在接收端将二次调制后的信号xC(t)解调成频分复用信号x(t)，然后分路滤波并经SSB解调，恢复出各路信号x1(t)、x2(t)、x3(t)。图11.2频分多路复用系统图11.3描述了电话信道中FDM多路复用体系的最低二级。第1级由1组12个被调制到副载波的信道组成，频率范围为60~108kHz。第2级由5组共60个副载波调制的信道组成，频率范围为312~552kHz，这5组信道也称为超群。多路复用信号可以看做一个合成信号，它可以通过电缆传输，也可以调制到载波进行无线传输。图11.3典型的频分复用系统的调制方案频分多路复用中有一个重要的指标是路际串话，这是各路信号不希望有的交叉耦合，即某一路在通话的同时又听到另外一路之间的通话。产生路际串话的主要原因是系统中的非线性传输，这在设计过程中要特别注意；其次的原因是各滤波器的滤波特性不良和副载波频率漂移等。为了减少频分复用信号频谱的重叠，各路信号频谱之间应当保留一定的频率间隔，这个频率间隔称为防护频带。防护频带的大小主要和滤波器的过渡范围有关。若滤波器的滤波特性不好，过渡范围宽，则相应的防护频带也要增加。频分多路复用信号的带宽和各路调制信号的带宽、相邻话路间的防护频带以及调制方式有关。假设信号x1(t)的频谱为X1(f)，x2(t)与x3(t)的频谱分别为X2(f)和X3(f)，采用SSB调制方式，则复用信号x(t)的频谱X(f)如图11.4所示。从图中可以看出，在单边带调制时，复用信号的带宽为

B=fX1+fX2+fX3+Bg1+Bg2 (11.3)

其中Bg1、Bg2为防护频带。图11.4多路复用信号的频谱如果采用其他调制方式，则频分多路复用信号的带宽要增加。例如振幅调制时满足

B=2(fX1+fX2+fX3)+Bg1+Bg2

(11.4)从上面的讨论可知，复用信号的最小带宽是各调制信号的频带之和。如果不采用单边带调制，则B要增加。如果滤波特性不佳，副载波频率漂移严重，则应增加防护带宽，B也同样要增加。为了能在给定的信道内同时传输更多路数的信号，要求边带滤波器的频率特性比较陡峭。另外，收、发两端都采用了很多的载波，为了保证收端相干解调的质量，要求收、发两端的载波保持同步，因此常用一个频率稳定度很高的主振源，并采用频率合成技术来产生所需的各种频率。采用频分复用技术可以在给定的信道内同时传输许多路信号，传输的路数越多，则信号传输的有效性越高。频分复用技术在有线通信、无线电报通信、微波通信中都得到广泛的应用。11.2.2卫星系统的频分多址方式商用卫星通信中最常用的频带称为C波段，上行链路为6GHz的载波，下行链路为4GHz的载波。对于C波段卫星系统，国际上规定每个卫星可以使用500MHz的带宽。一般每个卫星有12个转发器，每个转发器占用36MHz带宽。通常，36MHz的转发器采用FDM/FM/FDMA的多宿多模式进行工作。例如对于电话信号，每个信号的频谱为4kHz的单边带(包括防护带)，并组成多信道复合信号。然后，复合信号通过调频方式调制到载波上，并发送给卫星。频分多址方案对36MHz的转发器带宽进行再分割并分配给不同的用户。只要用户接入转发器，就会得到一定的带宽分配。这样，复合FDM信号经过FM调制后，在FDMA分配的带宽内发射给卫星。FDMA的主要优点是它的简单性。FDMA信号不需要进行同步或者中心定时；每个信道基本上独立于其他信道。11.3时分复用和时分多址11.3.1时分复用的原理

1．时分复用的基本工作原理抽样定理告诉我们，一个频带限制在fX以内的时间上连续的模拟信号x(t)，可以用时间上离散了的抽样值来传输，抽样值中包含有x(t)的全部信息；当抽样频率fS≥2fX时，可以从已抽样的输出信号xS(t)中，用一个带宽B为fX≤B≤(fS-fX)的理想低通滤波器不失真地恢复x(t)，如图11.5(a)所示，图11.5(b)画出了x(t)和xS(t)的波形。图11.5抽样定理的描述如果信道对信号传输不产生失真并且不引入噪声，那么x′(t)的波形与x(t)的波形完全相同，只是大小和x(t)不同，或者产生一定的时间延迟。如果像图11.5那样的传输系统只传输一路信号，那是非常不经济的，而且也没有必要，因为一路信号不需要抽样，直接传输就可以了。如果利用图11.5(b)所示的xS(t)在时间上离散的相邻脉冲间有很大空隙的特点，在空隙中再插入若干路也是抽样后的信号，只要各路抽样信号在时间上能区分开(即不重叠)，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用。

2．时分复用的原理框图和各点波形图11.6是一个时分复用的原理框图，为作图方便只画出了三路。在发端，旋转开关按照产生抽样脉冲的定时电路给出的顺序完成各路信号的转换，转换周期TS=1/fS。转换开关按一定顺序(例如图中按1、2、3的顺序)将各路信号接入并取样，图11.7画出了各路信号取样后的波形和合成以后的波形。各路信号脉冲间隔为TS，合路信号脉冲的间隔为TS/N，其中N为路数，在图11.7(d)中，合路信号脉冲间隔为TS/3。在接收端，用一个和发送端同步的定时电路控制转换开关，区分不同路的信号，把各路信号的抽样脉冲序列分离出来，再用低通滤波器恢复各路所需要的信号。

图11.6三路时分复用的原理框图

图11.7时分复用的波形

3．时分复用中几个问题的讨论

(1)抽样速率、抽样脉冲宽度和复用路数的关系。传输一路信号时，抽样频率fS≥2fX，以传输话音x(t)为例，fS通常为8kHz，抽样周期TS=125μs，抽样脉冲的宽度τ要比125μs小。传输N路信号，即N路复用时，在原先一路信号的抽样周期TS内要顺序地插入N路抽样脉冲，而且各个脉冲间还要留出一些空隙即保护时间。假设保护时间tg和取样脉冲宽度τ相等，这样取样脉冲的宽度τ=TS/2N=t0，N比较大时，τ很小。而τ不能做得很小，因此复用的路数N也不能太多。

(2)信号带宽与路数的关系。时分复用信号的带宽有不同的含义。一种是信号本身具有的带宽，从理论上讲，时分复用信号是一个窄脉冲序列，它具有无穷大的带宽，但是其频谱的主要能量集中在0~1/τ以内，因此从传输主要能量的观点考虑，带宽B在(1/τ，2/τ)之间，也就是落在(2NfS，4NfS)范围内。但是从另一个方面考虑，如果不是传输复用信号的主要能量，也不要求脉冲序列的波形不失真，而只要求传输抽样脉冲序列的包络即各脉冲的高度，此时带宽只需NfS/2即可，即N路信号时分复用时，每秒NfS个脉冲中的信息可以在NfS/2的带宽内传输，因此B=NfS/2。总的来说，带宽与NfS成正比，fS一般为8kHz，因此路数越多，带宽越大。

(3)时分复用信号仍然是基带信号。时分复用得到的信号仍然是基带信号，不过这个时候是N路信号合在一起的基带信号，这个基带信号可以通过基带传输系统直接传输，也可以经载频调制后通过频带传输系统传输。例如，像图11.5所示的时分复用的PAM信号，经过单边带调制以后可以在无线电信道传输，这种传输系统可以用TDM-PAM/SSB表示。现在通常不采用如图11.5所示的PAM信号，代之以PCM和ΔM信号，PCM和ΔM信号也都可以复用，例如TDM-PCM/SSB表示多路复用的PCM信号经过单边带调制以后的频带传输系统。下面介绍多路PCM信号的时分复用。11.3.2时分复用的PCM系统(TDM-PCM)

1．TDM-PCM的原理

PCM和PAM的区别在于PCM要在PAM信号基础上经过量化和编码，把PAM中的一个抽样脉冲量化后编为k位二进制代码。图11.8表示一个只有3路PCM复用的系统。图11.8(a)画出了发端的原理框图，话音信号经过放大和低通滤波后得到x1(t)、x2(t)、x3(t)；然后经过抽样得到3路PAM信号xS1(t)、xS2(t)、xS3(t)，它们在时间上是分开的，由各路的发定时取样脉冲控制。3路PAM信号一起进入量化和编码器进行编码，每个PAM信号的抽样脉冲经量化后编为k位二进制代码。编码后的PCM代码经过码型变换，变为适合于信道传输的码型，然后经过信道传输到接收端。图11.8TDM-PCM方框图图11.8(b)为接收端的原理框图。收端收到信码后，首先经过码型反变换，然后加到译码器进行译码，译码后是3路合在一起的PAM信号，再经过分离电路把各路PAM信号区分出来，最后经过放大和低通滤波还原为话音信号。

2．码元速率与信号带宽

TDM-PCM的信号代码在每一个抽样周期内有Nk个，其中N为路数，k为每个抽样值编码时编的码位数。因此，码元速率为NkfS波特，即fb=NkfS。实际上码元速率要比NkfS大一些，因为除了信号代码以外，还要加入同步码元、振铃用的振铃码和监视测试等使用的监测码等。例如24路PCM中，如果只计信码，则当fS=8kHz，k=7时，码元速率fb=24×7×8000=1344000=1.344×106波特。但是，当计及振铃码和同步码后，fb=1.544×106波特。从不产生码间串扰出发，要求的最小信道带宽为B=fb/2=NkfS/2。实际应用中一般B=NkfS。11.3.3时分复用/时分多址和频分复用/频分多址的比较

1.时分复用和频分复用的比较

1)复用的原理

FDM用频率来区分同一信道上同时传输的各路信号，各路信号在频谱上互相分开，但是在时间上重叠在一起。

TDM是在时间上区分同一信道上轮流传输的各路信号，各路信号在时间上互相分开，但是在频谱上重叠在一起。图11.1(a)、(b)分别画出了FDM和TDM各路信号在频谱上和时间上的特点。

2)设备复杂性

FDM复用部分的设备简单，TDM因为要用同步系统，比较复杂。TDM分路部分的设备简单，所有的滤波器都是相同的低通滤波器，而FDM因为要用不同的载频和不同的带通滤波器等，相对复杂。但是总的来说，TDM的设备要简单些。除了路数很少时用FDM以外，路数较多时用TDM比较好。但当路数很多时，TDM由于取样脉冲宽度τ不能太小而导致实现困难，FDM没有这种限制，因此复用路数很多时要用FDM。

3)抗各路信号之间的干扰各路信号间的干扰导致各路互相串话。在FDM系统中，由于各路信号在时间上同时存在，因此在复用部分的放大器中只要有非线性特性，就会引起各路频谱间的组合干扰，从而引起互相干扰即串话，所以FDM系统中对于线性的要求比单路通信时要严格得多。在TDM系统中，各路信号在时间上是分开的，因此在TDM系统中对线性的要求同单路通信时一样，没有FDM系统中要求得那样严格，产生的路间串话也要比FDM系统的小。

4)需要的传输带宽由前面关于TDM和FDM对信道传输带宽的计算可以看到，两者是一样的，N路复用时对信道带宽的要求都是单路的N倍。

2.频分多址和时分多址的性能比较

1)比特率等价性假设FDMA和TDMA系统能够支持的全部速率都为R。FDMA系统的带宽被分成M个正交频带，因此M个信息源的每一个Sm(1≤m≤M)都能以R/M的比特率进行同步传输。而TDMA系统的每个帧被分成M个正交时隙，因此M个信息源的每一个Sm都以速率R传输，时间是同等FDMA用户的M倍。在这两种情形下，信息源都以平均速率R/M传输信息。假设每个信息源产生的信息组成b比特每群，称为包或者数据分组。在FDMA的情况下，在M个不相交的信道中，b比特的分组都可以在T秒内传输完，因此需要的全部的比特率是

(11.5)

在TDMA情况下，从每个信息源发出的b个比特可以在T/M秒内传输完。因此需要的比特率是

(11.6)比较式(11.5)和式(11.6)可以得到

(11.7)

2)消息延迟上述分析似乎说明FDMA和TDMA之间的对应性导致了同样的性能，但是当比较的标准是平均包延迟时，情况就不是这样了。TDMA的包延迟小于FDMA包延迟，在这一方面TDMA的性能优于FDMA。如前所述，假定FDMA情况下系统带宽分成M个正交频带，在TDMA情况下帧被分成M个正交时隙。以传输确定的信息源为例，假定通信资源100％的被使用，所以在FDMA情况下所有的频带都填充满了数据包，在TDMA情况下所有的时隙也都填满了数据包。为了简化，假定无需防护频带和防护时间间隔。消息延迟定义为

D=w+τ

(11.8)其中，w是包的平均等待时间(传输前)，τ是包的传输时间。在FDMA情况下，每个包在T秒间隔上发送，所以FDMA包的传输时间为τFD=T

(11.9)在TDMA情况下，每个包在T/M的时隙内传输完。根据式(11.7)，得到TDMA包的传输时间为

(11.10)

FDMA信道是连续可用的，包一旦生成就马上被传输，因此FDMA的等待时间是wFD=0

(11.11)图11.9比较了FDMA和TDMA的比特流。对于TDMA而言，图11.9(a)描述了每个用户时隙在帧中的开始时间不同，即包Smk在帧产生的瞬间开始计时后的(m-1)T/M秒才开始(其中1≤m≤M)，因此TDMA包在开始传输前的平均等待时间是

(11.12)图11.9TDMA和FDMA的比特流比较包传输之前最大的等待时间是(M-1)T/M，每个包平均等待(M-1)(T/M)/2=(T/2)(1-1/M)秒，如式(11.12)所示。为比较FDMA和TDMA的平均延迟时间DFD和DTD，将式(11.9)和式(11.11)代入(11.8)中，并将式(11.10)和式(11.12)带入式(11.8)中，得到

DFD=T

(11.13)(11.14)由式(11.7)和式(11.14)可以得到

(11.15)

以上结果表明，从消息延迟的角度看，TDMA的性能优于FDMA。尽管式(11.15)是在假定数据源是确定性的条件下得到的结果，但是适用于对任何到达时间独立的消息过程。11.4码分多址在图11.1(a)中，通信资源是通过水平分割FDMA频带来共享的。在图11.1(b)中，通信资源则是通过垂直分割TDMA时隙来共享的，这两种技术是多址接入中应用最普遍的技术。而在图11.1(c)中，通信资源被FDMA和TDMA的两种组合所分割，称为码分多址(CDMA)，它是扩频技术的一种应用。图11.1(c)形象化地描述了跳频CDMA，频带被临时分配给不同的信号源，在每个连续时隙里(持续时间通常很短)，频带会被重新分配。例如，在时隙1里，信号1占用了频带1，信号2占用了频带2，信号3占用了频带3；而在时隙2里，信号1跳到了频带3，信号2跳到了频带1，信号3跳到了频带2，等等。每个用户使用的伪随机序列跟其他所有用户的PN序列正交或者接近正交，这其中包含了跳频频带的分配。相对于TDMA，跳频CDMA的优点是用户组之间不需要同步(仅仅在同一个组的发射器和接收器之间需要同步)。图11.10描述了跳频调制过程。在每个跳频时间里，PN码生成器发送一个码序列给跳频器，跳频器生成了一个许用的跳频序列。假定数据调制使用M进制FSK(M-aryFSK)，在传统的MFSK系统中，数字信号在固定频率的载波上调制，而在跳频MFSK系统中，数字信号调制所用的载波频率扩展到整个通信资源占用的频带上。图11.10CDMA跳频调制过程与FDMA和TDMA相比，CDMA具有以下独特的优点：

(1)保密性。属于特殊用户组的代码仅允许在授权用户之间收发，传输的信号不易被非授权用户截获，所以CDMA提供了通信的保密性。

(2)抗衰落。如果频谱的某一部分有严重的衰落，则落在这段频谱范围内的信号就会遭受衰落的影响。在FDMA系统里，一个用户很可能会被分配到有严重衰落特性的某个频段上，只要衰落存在，该用户将始终经历严重衰落的通信过程。但是在跳频CDMA方案里，仅当用户跳到这个受影响的频谱部分，用户的通信才会被影响。因此对CDMA来说，这种衰落的影响是所有用户共同承担的。

(3)抗阻塞。在一个给定的CDMA跳频上，信号带宽与传统的MFSK带宽(等于传输MFSK信号所需的最小带宽)相等。但是经过许多时隙后，系统会在一个比数据频带宽得多的频带上跳变，称为扩频，而扩频具有良好的抗阻塞性。

(4)灵活性。CDMA方案相比于TDMA方案的最大优点，是在各个同步收发器之间不需要精确的时间同步，基于不同编码的用户传输之间的正交性不受传输时间变化的影响。11.5空分多址和极分多址空分多址(SDMA)也称多波束频带复用，它将空间分割成不同的信道。例如，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间即使使用相同的频率进行工作，也不会形成相互干扰。图11.11给出了用时间-频率-空间三维表示的通信资源分配关系。由图中可见，FDMA是对频带的分割，TDMA是对时间的分割，而SDMA则是对空间的分割。SDMA是一种新的多址技术，它已在中国提出的第三代移动通信标准TD-SCDMA中得到应用，此外，在卫星通信中也应用了SDMA。图11.11通信资源的时间-频率-空间分割

SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下，它要求天线给每个用户分配一个点波束，这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号。换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等结合使用，也就是说，对处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。应用SDMA具有明显的优势，它可以提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著提升系统容量；此外，一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以降低对其他系统的干扰。如前所述，SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用SDMA的难点。特别是对于移动用户，由于移动无线信道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂，从而对数字信号处理(DSP，DigitalSignalProcessing)提出了很高的要求。极化波复用是在卫星通信等系统中采用的另一种复用技术，它利用一个天线馈源来同时接收两种极化方式的波束，例如垂直极化和水平极化，左旋圆极化和右旋圆极化，以此实现复用。卫星通信系统中通常采用两种办法来实现频率复用：一种是同一频带采用不同极化方式，如垂直极化和水平极化，左旋圆极化和右旋圆极化等；另一种是不同波束内重复使用同一频带，此办法广泛使用于多波束系统中。11.6多址通信系统及其结构多址协议或者多址算法(MAA，MultipleAccessAlgorithm)是一种规则，它指导用户怎样使用时间、频率、编码函数等与其他用户进行通信。多址接入系统是硬件与支持MAA软件的结合。多址接入系统的目标是及时、有序、有效地提供通信服务。图11.12描述了卫星接入系统的一些基本选择方案，图中不同的图例符号表示地面站是否有MAA控制器，以及卫星是否有MAA控制器。在图11.12(a)中，将某个地面站设置成控制器，这个地面站拥有一台MAA计算机，响应所有其他用户的请求服务。在这种情况下，用户的请求必须经过卫星返回到控制器，控制器的响应必须通过卫星传输，因此，对于每个服务必须要有两个上行和下行传输链路。在图11.12(b)中，把MAA控制器分给所有地面站，每个地面站采用同样的多址接入算法，知道关于接入请求和任务的相同信息，因此，每个服务仅需要一个往返行程。图11.12(c)描述了MAA控制器在卫星中的情况，服务请求是从用户到卫星，卫星立刻做出响应并返回；每个服务任务也只需要一个往返行程。图11.12卫星多址接入结构11.6.1多址接入信息流图11.13描述了多址接入算法或控制器与地面站之间的基本信息流。如前所述，控制器可以放置在卫星、主站或者分布在所有的地面站上。图11.13多址接入信息流多址接入的信息流程由如下几个部分组成：

(1)信道化。控制信息的信道化给出了最基本的信息分配方案。例如，信道1~N可能分给了陆军，信道N＋1～M可能分给了海军，等等，这种分配信息很少改变。

(2)网络状态。网络状态描述了系统中通信资源的状态，基站会被告知关于通信资源的可利用性以及传输服务请求需要的资源位置(例如时间、频带、码的位置)。

(3)服务请求。在这一阶段由站点安排服务请求，例如进行m个信息时隙的分配。

(4)进程表。控制器或MAA接收到服务请求时，会发送给站点一个关于数据在通信资源中的时间和地点定位的进程表。

(5)数据。站点根据分配的进程表传输数据。11.6.2按需分配多址接入如果站点不管它的实际需求是否需要而周期性地接入信道，则这种多址接入方案就是固定分配的多址接入方案。与此相应的是动态接入方案，有时称为按需分配多址接入(DAMA,DemandAssignmentMultipleAccess)，当需要接入的时候才让站点接入信道。如果从站点发出的通信信息是突发性的或者是断续的，则DAMA方式会比固定分配方式更有效，它利用了实际需求负荷很少等于最高负荷这一特性。如果系统容量等于其最高负荷并且传输是突发性的，则系统在大部分时间内处于空闲状态。但是，通过使用缓冲区和DAMA，用容量为平均负荷的系统就可以处理此类突发性传输，其代价是一些序列的延时发送。图11.14描述了系统容量等于用户需求总数的固定分配方案和系统容量等于用户需求平均数的DAMA系统之间的区别。从图中可以看出，系统使用动态信道分配，可以减小占用的系统带宽。图11.14固定分配多址方案与DAMA方案的带宽比较11.7局域网的多址接入技术局域网(LAN，LocalAreaNetwork)用于互连同一幢楼或几幢楼内的计算机、终端、打印机等。远程网为了降低成本通常使用公用电话网，而局域网通常铺设自己的宽带电缆，由于带宽比较充裕，局域网可以使用简单的接入算法。11.7.1载波侦听多址接入网以太网是Xerox公司提出的一种局域网接入技术，它基于这样一个假设，即每个本地设备在使用信道之前，能够检测共用广播信道的状态，将这种技术称为载波侦听多址接入/冲突检测(CSMA/CD，Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDection)，其中“载波”指电缆上的任何电运动。图11.15(a)描述了以太网规范的比特域格式，包长度为72~1526字节，由8字节的前同步域、14字节报头域、4字节监督校验域以及46~1500字节的数据域组成，每字节8比特。报头中的源地址是发送设备的唯一地址，类型域决定了怎样解释数据域，目的地址域是接收端用于决定是否接收某个特定包的依据。图11.15以太网的比特域和PCM格式以太网的多址接入算法定义了如下的用户操作或响应：

(1)延迟：表示用户不能在载波出现时或者最小包间隔内传输信息。

(2)传输：如果没有延迟，则用户可以进行传输，直到包结束或者检测到冲突。

(3)中断：如果检测到冲突，则用户必须中断包的传输，并传输一个短阻塞信号，以确保所有冲突用户知道冲突的发生。

(4)重传：用户必须等待一个随机延迟时间再进行重传。

(5)后退：第n次重传之前的延迟是0~2n-1之间均匀分布的一个随机数(0≤n≤10)，即后退时间。图11.15(b)显示了遵循以太网规范的10Mb/s曼彻斯特PCM格式的数据流。在这种格式下，每个比特单元都有一个跃变的过程。二进制“1”用由低到高的跃变表示，二进制“0”用由高到低的跃变表示，因此,数据跃变表明载波存在。如果一个跃变之后，在0.75比特和1.25比特时间内没有跃变，则表明载波消失，即包传输结束。11.7.2令牌环网在载波侦听网络中，所有的站点都被动地连接在局域网的电缆上。与此不同，环网由站点以及相继站点之间的一系列点到点的线缆组成，环路和站点之间的接口是主动的而不是被动的，如图11.16所示。图11.16(a)描述了监听模式和传输模式的接口状态。在监听模式中，输入比特以1比特延迟时间复制到输出端；在传输模式中，断开连接，站点可以将自己的数据送入环中。将令牌定义为一种特殊的模式，例如8个连续的“1”比特流“11111111”，只要站点空闲时，这个令牌就在环上绕行。那么如何区分数据和令牌，以保证消息数据中不包含令牌序列呢？系统采用比特填充的方式来防止数据流中出现令牌序列。例如，对于上述的8比特令牌序列，当数据流序列中出现7个连续的“1”时，比特填充算法会将一个“0”插入到7个连续“1”数据序列的后面。接收端采用相应的算法识别并处理7个连续“1”之后的“0”比特。图11.16令牌环网令牌环接入方式的工作过程如下：

(1)准备发送信息的站点监听接口处的令牌是否出现。当令牌的最后一比特出现时，站点对其取反，例如11111110，然后断开接口连接，将自己的数据送入环中。

(2)当数据流沿着环路返回站点时，会被发送者删除。令牌环网对数据包的大小没有限制，因为整个包不会同一瞬间出现在环中。

(3)传输信息的最后一个比特后，发送站点会重新产生令牌。当最后一比特数据绕环循环一周并被删除后，接口就会转向监听模式。

(4)在令牌环系统中，不存在竞争。在传输忙期，一旦令牌再产生，请求服务的下一个下游站就会立即发现，并且删除令牌。因此，环中的发送转换是平稳的。由于只有一个令牌，因此不会产生竞争。当所有的站点空闲时，环本身必须有足够的延时以使得令牌能够完整地进行一次循环。环网中的重要问题之一是比特传播距离。如果数据速率是RMb/s，则每1/Rμs发送1比特。因为典型的同轴电缆传播速率是200m/μs，所以每个比特在环中占有200/Rm(米)的距离。

例如果一个8比特令牌被用在某个5Mb/s的令牌环网上，计算最小传播距离dmin，即环的最小尺寸。假设传播速度v=200m/μs。

解

R=5Mb/s；传播1比特所需的时间tb=1/(5×106)s；发送8比特令牌所需的时间tT=8/(5×106)s；

8比特令牌的传播距离dmin=tT×v=(8/5)μs×200m/μs=320m。【小结】本章在介绍通信资源共享概念的基础上，分析了多路复用和多址接入的几种主要方案，包括频分多路复用/频分多址、时分多路复用/时分多址、码分多路复用/码分多址、空分多路复用/空分多址以及极化复用和极化多址;接着阐述了多址通信系统及其结构；最后介绍了用于局域网的两个常用