3.5 信道划分介质访问控制
在计算机网络中，如何协调多个发送节点共享同一广播信道，是数据链路层（特别是介质访问控制子层，MAC）的核心问题。信道划分介质访问控制（Channel Partitioning MAC）通过将信道资源（如时间、频率、波长或码型）进行静态或动态的划分，使多个用户能够互不干扰地同时利用信道资源。这种技术统称为多路复用（Multiplexing）。
本节将详细阐述四种主流的信道划分技术：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）以及码分多路复用（CDM）。
3.5.1 频分多路复用 (FDM)
1. 基本原理
频分多路复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）是最早出现的复用技术之一。其核心思想是将信道的总频带带宽划分为多个较窄的子频带（或称子信道），每个子信道分配给不同的用户专用。
假设信道的总带宽为 W W W 赫兹，我们将其划分为 N N N 个子信道。为了防止相邻子信道之间的信号相互干扰（串扰），通常会在相邻子频带之间保留一定的保护频带（Guard Band）。
图 3-5-1：FDM原理示意图
2. 历史与发展
FDM 的历史可以追溯到早期的电话系统和无线电广播。
- 电话网络：在模拟电话时代，长途干线通过 FDM 技术，在一根同轴电缆或微波链路上同时传输成千上万路话音信号。
- 无线广播：这是 FDM 最直观的例子。调频收音机（FM）的 88MHz 到 108MHz 频段内，不同的广播电台使用不同的载波频率（如 98.5MHz, 101.1MHz），听众可以通过调谐器选择特定频率而不受其他电台干扰。
3. 实际应用与局限性
在现代宽带接入网中，ADSL（非对称数字用户线路） 是 FDM 的典型应用。ADSL 将电话线的频带划分为三个部分：0-4kHz 用于传统语音电话，上行数据频段和下行数据频段则被调制在高频区域，从而实现"上网不影响打电话"。
优点：
- 技术成熟，实现简单。
- 适用于模拟信号传输。
局限性：
- 资源浪费：如果分配了频段的用户暂时没有数据发送，该频段就会处于闲置状态，其他用户无法利用，导致信道利用率较低。
3.5.2 时分多路复用 (TDM)
1. 基本原理
与 FDM 将信道在频率上切分不同，时分多路复用（Time Division Multiplexing, TDM）是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM Frame） 。每一个时分复用帧又被进一步划分为 N N N 个时隙（Time Slot），每个用户周期性地占用帧中的固定序号时隙。
例如，若有 4 个用户，则时隙 1 分给用户 A，时隙 2 分给用户 B，以此类推。在时隙 1 内，用户 A 独占整个信道的带宽；在时隙 2 内，用户 B 独占带宽。
图 3-5-2：TDM原理示意图
2. 历史与发展：从 TDM 到 STDM
TDM 是数字电话系统的基础。北美标准的 T1 线路（1.544 Mbps）就是将 24 路话音信号通过 TDM 复用在一条线路上。
然而，传统的同步 TDM 存在与 FDM 类似的缺陷：如果用户 B 没有数据发送，时隙 2 就会空转，导致浪费。 为了解决这个问题，统计时分多路复用（Statistical TDM, STDM） 应运而生。STDM 不固定分配时隙，而是按需动态分配，数据帧中必须携带地址信息（因为时隙不再对应特定用户），这大大提高了线路利用率。
3. 实际应用
- GSM 移动通信：第二代移动通信（2G）系统 GSM 采用了 FDM 和 TDM 的混合模式，将时间划分为 8 个时隙，供 8 个用户共享一个频点。
- 计算机总线：CPU 与外设之间的数据传输常采用时分复用机制。
3.5.3 波分多路复用 (WDM)
1. 基本原理
波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）本质上是光纤通信中的 FDM 。由于光波也是一种电磁波，且频率极高，因此我们将频率的划分转化为波长（ λ \lambda λ）的划分。
WDM 系统利用合波器 将不同波长（颜色）的光信号合并到一根光纤中传输；在接收端，利用分波器将混合的光信号分离出来。
图 3-5-3：WDM原理示意图
2. 发展与应用：从 WDM 到 DWDM
随着光器件技术的发展，WDM 经历了从粗波分复用（CWDM）到密集波分复用（DWDM） 的演进。
- DWDM：现在的技术可以在一根光纤上复用 80 路、160 路甚至更多波长的光信号，每路速率可达 10Gbps 或 100Gbps。
实际意义 ：WDM/DWDM 是现代互联网骨干网（Backbone） 的基石。它使得光纤的传输容量呈指数级增长，支撑起了全球海量的数据交换需求，而无需铺设成倍的新光缆。
3.5.4 码分多路复用 (CDM/CDMA)
1. 基本原理与数学模型
码分多路复用（Code Division Multiplexing, CDM），在移动通信中常称为码分多址（CDMA） ，是一种更为复杂但也更为高效的共享方式。不同于 FDM 切分频率、TDM 切分时间，CDM 允许所有用户在同一时间 使用同一频带进行通信。
如何区分信号？
CDM 利用正交（Orthogonal） 的码序列来区分用户。每个用户被分配一个唯一的 m m m bit 的码片序列（Chip Sequence）。
- 如果要发送比特 1 1 1，则发送自己的码片序列 S \mathbf{S} S。
- 如果要发送比特 0 0 0（通常用 − 1 -1 −1 表示），则发送码片序列的反码 − S -\mathbf{S} −S。
数学原理 ：
为了使信号互不干扰，分配给不同用户的码片序列必须相互正交。假设用户 A 的码片向量为 S \mathbf{S} S，用户 B 的码片向量为 T \mathbf{T} T，则必须满足规格化内积为 0：
S ⋅ T = 1 m ∑ i = 1 m S i T i = 0 \mathbf{S} \cdot \mathbf{T} = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i T_i = 0 S⋅T=m1i=1∑mSiTi=0
同时，码片向量与其自身的内积为 1：
S ⋅ S = 1 \mathbf{S} \cdot \mathbf{S} = 1 S⋅S=1
接收过程 ：
当接收端收到混合信号 R \mathbf{R} R（这是所有用户发射信号的线性叠加，如 R = S + T \mathbf{R} = \mathbf{S} + \mathbf{T} R=S+T）时，若想提取用户 A 的数据，只需将接收到的信号 R \mathbf{R} R 与用户 A 的码片 S \mathbf{S} S 进行内积运算：
R ⋅ S = ( S + T ) ⋅ S = S ⋅ S + T ⋅ S = 1 + 0 = 1 \mathbf{R} \cdot \mathbf{S} = (\mathbf{S} + \mathbf{T}) \cdot \mathbf{S} = \mathbf{S} \cdot \mathbf{S} + \mathbf{T} \cdot \mathbf{S} = 1 + 0 = 1 R⋅S=(S+T)⋅S=S⋅S+T⋅S=1+0=1
计算结果为 1 1 1，说明用户 A 发送了比特 1 1 1。如果结果为 − 1 -1 −1，说明发送了比特 0 0 0；如果结果为 0 0 0，说明用户 A 未发送数据。
图 3-5-4：CDMA 鸡尾酒会类比
2. 历史与实际应用
CDMA 技术最初源于军事抗干扰通信（扩频通信），因为其信号具有极强的隐蔽性和抗干扰能力。
- 3G 时代的主宰：CDMA 是第三代移动通信（3G）的核心技术。无论是美国的 CDMA2000，欧洲的 WCDMA，还是中国的 TD-SCDMA，其物理层基础均为码分多路复用。
- GPS 全球定位系统：GPS 卫星向地面发射信号时，也是利用 CDMA 技术，使多个卫星可以使用相同的频率同时广播信号，接收机通过不同的伪随机码（PRN）区分不同的卫星。
3. 优缺点
优点：
- 抗干扰能力强：类似于将信号能量分散到很宽的频带上。
- 保密性好：没有码序列无法解调。
- 软容量：系统没有固定的用户上限，增加用户只会导致背景噪声略微增加（信噪比下降），而不会像 TDM/FDM 那样直接拒绝服务。
缺点：
- 需要复杂的功率控制技术（防止"远近效应"，即离基站近的用户信号淹没远处的用户信号）。
本章小结
信道划分技术经历了从模拟到数字、从低速到高速的演变。
- FDM 像是在高速公路上划分不同的车道，适合模拟信号和光纤波长划分。
- TDM 像是会议上的轮流发言，是数字电话网的基础。
- WDM 是光的 FDM，开启了超高速光网络时代。
- CDM 像是不同语言的同时交谈，利用数学上的正交性实现了无线频谱的高效利用。
在实际网络中，这些技术往往不是孤立存在的，而是混合使用的（如 4G/5G 网络中的 OFDMA 技术结合了频分和时分的思想），以最大化信道容量和传输效率。