考研笔记

信道划分介质访问控制

3.5 整节回答一个问题：一条广播信道上挂着很多站，谁在什么时候发？ 教材给出三类答案——事先把信道切开（本节）、大家抢（3.5.2）、轮流来（3.5.3）。

信道划分这一类最简单，考点是四种复用各”共享了什么、不共享什么”，以及 CDMA 的码片计算（2014 年考过）。那道 TDM 错题落在这里，而不是物理层。

机制

介质访问控制要解决什么

介质访问控制所要完成的主要任务是：为使用介质的每个节点隔离来自同一信道上其他节点所传送的信号，以协调活动节点的传输。设节点 A、B、C、D、E 共享一条广播信道，A 要与 C 通信、B 要与 D 通信，因为它们共用一条信道，若不加控制，两对节点之间的通信可能因互相干扰而失败。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（MAC）子层（见 3.6.1）。

常见的介质访问控制方法有三类：

类别分配方式会不会冲突本章位置
信道划分静态划分信道不会3.5.1
随机访问动态分配信道会3.5.2
轮询访问动态分配信道不会3.5.3

“动态”与”冲突”是两个独立的维度：随机访问和轮询访问都是动态分配，但只有随机访问可能冲突（王道 3.5.5 第 6 题）。

复用：把一个广播信道变成多个点对点信道

信道划分介质访问控制将使用同一传输介质的多个设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给这些设备。它通过复用技术实现：在发送端把多个发送方的信号组合在一条物理信道上进行传输，在接收端把收到的复用信号分离出来，并发送给对应的接收方。当传输介质的带宽超过传输单个信号所需的带宽时，通过在一条介质上传输多个信号，还能提高传输系统的利用率。

flowchart LR
    IN["N 个输入"] --> MUX["复用器"]
    MUX == "1 条链路，N 个信道" ==> DEMUX["分用器"]
    DEMUX --> OUT["N 个输出"]
    classDef m fill:#dbeafe,stroke:#2563eb
    class MUX,DEMUX m

信道划分的实质是：通过分时、分频、分码等方法，将原来的一个广播信道，逻辑上分为几个用于在两个节点之间进行通信的互不干扰的子信道，即将广播信道转变为若干个点对点信道。 这也是王道 3.5.4 第 1 题的答案——“胜利者通过争用获得信道”是随机访问的特点，“集中控制解决发送次序”是主从式的特点，“轮询依次询问”是轮询访问的特点。

信道划分介质访问控制分为以下四种。

频分复用（FDM）

频分复用是指将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信。所有用户在同一时间占用不同的频带资源。 每个子信道分配的频带可以不相同，但它们的总和不能超过信道的总频带。在实际应用中，为了防止子信道之间互相干扰，相邻信道间还要加入”隔离频带”。

频分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，实现也较容易。

时分复用（TDM）与统计时分复用（STDM）

时分复用是指将信道的传输时间划分为一段段等长的时间片，称为 TDM 帧，每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙，每个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。所有用户在不同的时间占用同样的信道资源。 注意，TDM 帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层的帧不是同一个概念。

从某个时刻来看，时分复用信道上传送的仅是某对用户之间的信号；从某段时间来看，传送的是按时间分割的复用信号。因为时分复用是按固定次序给用户分配时隙的，当用户在某段时间暂无数据传输时，其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源，所以时分复用后的信道利用率不高。

统计时分复用（Statistic TDM，STDM）也称异步时分复用，是对 TDM 的一种改进。STDM 帧与 TDM 帧不同，它并不固定分配时隙，而按需动态分配时隙，用户有数据要传送时才会分配到 STDM 帧中的时隙，因此可以提高线路的利用率。例如线路的数据传输速率为 6000b/s，3 个用户的平均速率都是 2000b/s：采用 TDM 方式时，每个用户的最高速率为 2000b/s；而在 STDM 方式下，每个用户的最高速率可达 6000b/s。

波分复用（WDM）

波分复用即光的频分复用。它在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，因为波长不同，各路光信号互不干扰，最后用光分用器将各路波长分解出来。因为光波处于频谱的高频段，有很大的带宽，所以可以实现多路的波分复用。

码分复用（CDM）与码分多址（CDMA）

码分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）。

CDMA 的原理是将每个比特时间再划分成 个短的时间槽，称为码片（Chip），通常 的值是 64 或 128（下例为简单起见设 ）。每个站点被指派一个唯一的 位码片序列：发送 1 时，站点发送它的码片序列；发送 0 时，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。为了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，A 站向 C 站发出的信号用一个向量表示，B 站向 C 站发出的信号用另一个向量表示，两个向量要求相互正交，向量中的分量就是码片。

为方便计算，将码片中的 0 写为 、1 写为 。设 A 站的码片序列为 00011011，即 。三条规格化内积（线性代数中的内积再除以分量个数 ）是 CDMA 的全部数学：

即不同站的码片向量正交；任何站的码片向量与自身的规格化内积为 1；与自身反码的规格化内积为 。

设 。A 站向 C 站发送 1，就发送了 ；B 站向 C 站发送 0，就发送了 。两个向量在公共信道上线性叠加：到达 C 站后进行数据分离：要得到 A 站的数据，C 站就必须知道 A 站的码片序列，用 与叠加信号做规格化内积。根据叠加原理，其他站点的信号在内积结果中都被过滤掉（相关项都是 0），只剩下 A 站发送的信号：

所以 A 站发出的数据是 1，B 站发送过来的是反码向量，代表 0。码分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，还可以减少投资及降低运行成本，主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。

一个直观的比喻

A 站要向 C 站运送黄豆，B 站要向 C 站运送绿豆，A、B 与 C 之间有一条公共道路，相当于广播信道：

方式做法共享空间共享时间
频分复用（波分复用同理）道路划成两个车道，两类车同时通行❌（各占一半道路）✅
时分复用A 的车走一趟，B 的车再走一趟，交替使用道路✅❌
码分复用黄豆和绿豆放在同一辆车上，到 C 站再分开✅✅

计算模板：CDMA 求某站发送的数据

  1. 把接收到的序列按码片长度 切段，每段对应 1 比特。
  2. 用目标站的码片序列（写成 ）与每一段做规格化内积（对应相乘求和，再除以 ）。
  3. 结果为 表示发送 1，为 表示发送 0，为 0 表示该站在这一比特时间没有发送。

例（2014 真题，王道 3.5.4 第 36 题）：A、B、C 的码片序列分别为 、、，C 从链路上收到 ，则 C 收到 A 发送的数据是？

，切成三段。A 与第一段：；与第二段：；与第三段：。A 发送的数据为 101，选 B。

例（王道 3.5.4 第 32 题）：A、B、C 的码片序列为 、、，D 收到 。A：；B：；C：。三站依次发送 1、0、1。

边界

TDM 帧不是数据链路层的帧。 前者是一段固定长度的时间，后者是数据链路层的协议数据单元。

TDM 固定分配，STDM 按需分配。 题目问”具有动态分配时隙功能”的，是统计时分复用（异步时分复用），不是同步时分复用（王道 3.5.4 第 5 题）。

信道划分方法都不会冲突；CSMA 类会。 2013 年真题问”可能发生冲突的介质访问控制方法”，四个选项 CDMA、CSMA、TDMA、FDMA 中只有 CSMA 属于随机访问（第 35 题）。

计算机网络更多使用 TDM 而非 FDM，是因为 TDM 可用于数字传输而 FDM 不行：TDM 抗干扰能力强，可以逐级再生整形，避免干扰的积累，而且数字信号比较容易实现自动转换；FDM 适合传输模拟信号（第 4 题）。

错题复盘：实现 TDM 要求介质的位速率大于单个信号的位速率，介质的带宽大于结合信号的带宽

王道 3.5.4 第 3 题：TDM 所用传输介质的性质是（注：选项中的带宽指信号的频率范围）（A. 介质的带宽大于结合信号的位速率　B. 介质的带宽小于单个信号的带宽　C. 介质的位速率小于最小信号的带宽　D. 介质的位速率大于单个信号的位速率）。答案 D。

TDM 在发送端把不同用户的信号相互交织在不同的时间片内，沿同一个信道传输，在接收端再把各时间片内的信号提取出来还原成原始信号。为此必须满足两个条件：①介质的位速率（每秒传输的二进制位数）大于单个信号的位速率；②介质的带宽（所能传输信号的最高频率与最低频率之差）大于结合信号的带宽（所有信号经过调制后形成的复合信号的带宽）。

A 看上去最像条件②，但它把”带宽”和”位速率”两个量混在一起比较——带宽只能和带宽比，位速率只能和位速率比。B、C 的不等号方向都反了。另外，这道题属于王道 3.5 介质访问控制，而不是第 2 章物理层。

口径差异：CDMA 在今天的移动通信里

教材口径：码分复用”主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统”。

工程口径：CDMA 是 3G（CDMA2000、WCDMA）的核心技术；4G/5G 与 Wi-Fi 的主流已换成 OFDM（正交频分复用）等技术。题目只考教材给出的码片正交与规格化内积计算。

对照速查

复用按什么切同一时刻多个用户共享频率共享时间
FDM频带✅❌✅
TDM时隙（固定分配）❌✅❌
STDM时隙（按需分配）❌✅❌
WDM光的波长✅❌✅
CDM码片序列✅✅✅
说法对错
信道划分的实质是把广播信道变为若干点对点信道✅
TDM 后信道利用率高❌（固定分配，空闲时隙浪费）
STDM 下单个用户的最高速率可达线路速率✅
不同站的码片序列规格化内积为 1❌（为 0，相互正交）
随机访问和轮询访问都会发生冲突❌（只有随机访问会）

考点

  • 三类介质访问控制：信道划分（静态）、随机访问（动态，会冲突）、轮询访问（动态，不冲突）
  • 信道划分的实质：广播信道 → 若干点对点信道
  • FDM 同时不同频；TDM 不同时同资源，TDM 帧 ≠ 链路层帧；STDM 动态分配时隙
  • WDM 是光的 FDM；CDM 频率和时间都共享
  • CDMA：码片序列两两正交；发 1 送原码，发 0 送反码；规格化内积求数据（2014）
  • TDM 条件：位速率比位速率、带宽比带宽

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