多路复用并非新概念，但它不断带来令人耳目一新的成果。这一理念可以追溯到19世纪60年代电报发明之时。当时，电报信息一次只能发送一条，而且只能单向发送。1874年，法国的 Emile Baudot 发明了多路复用系统，取得了突破性进展。该系统效率更高，可以在同一线路上同时传输多条信息。
从最初的简单应用开始，多路复用如今已广泛应用于各种领域，其中一些应用甚至远远超出了电信领域。在本文中，我们将了解不同类型的多路复用技术，探讨这项技术的优势和挑战，并关注其在流媒体中的应用。
什么是多路复用？
简单来说，多路复用是一种在同一通信信道上同时发送多个信号的方法。多个信号或数据流被送入多路复用器，并组合成单个复合信号或数据流。我们在通信信道上传输的就是这个多路复用信号。
在另一端，解复用器将组合的信号分离成原始信号或数据流。然后，解复用器将每个信号传送到其目标设备。
类似于 zip 文件，它包含多个压缩文件。解压后，即可访问各个文件。多路复用的工作方式与压缩和解压过程非常相似。
多路复用的演变
多路复用的第一个版本就是我们现在所说的时分复用（TDM），特别是同步 TDM。之所以说它是同步的，是因为多路复用器为每个连接的设备分配了一个固定的时隙。每个设备等待分配给自己的时隙发送或接收数据。
电话
多路复用技术在法国发明后，亚历山大-格雷厄姆-贝尔（Alexander Graham Bell）和伊丽莎-格雷（Elisha Gray）找到了一种通过电话线发送和接收语音的方法。不久之后，法国也开始需要多路复用技术，但同步 TDM 技术并不适合。
于是，异步 TDM 应运而生。它不再使用预定义的时隙，而是根据每个模拟信号或数据流的需求动态分配时隙。但它并不完美，因为用户获得的时隙取决于当前活跃用户的数量。
这导致了频分复用（FDM）技术的发展，该技术将一个信道划分为使用不同频率的多个更小的信道。FDM技术效果显著，被广泛应用于许多领域，包括无线电、电视和第一代手机。
数据通信
在流媒体视频、社交媒体、在线游戏和其他带宽密集型应用需求的推动下，互联网带来了数据爆炸式增长。这考验着 TDM 和 FDM 的极限。
同步 TDM 技术可以同时发送更多信号，时隙划分也更加便捷。异步 TDM 技术需要能够控制时隙的动态分配。与此同时，FDM 技术需要更多、更窄的保护带来减少相邻频带之间的干扰。但这也减少了可用于发送和接收数据的频谱。
空分多路复用（SDM）也应运而生，利用空间维度同时传输多个独立数据流的技术。SDM 的工作原理是通过天线、光纤或其他空间不同的路径来物理分离不同数据流的传输路径。
SDM 大大提高了通信系统的容量和效率。它在现代蜂窝网络和无线通信系统中的广泛应用充分说明了这一点。
光纤
然而，当使用光纤作为通信介质时，SDM 无法充分发挥可用带宽。随着空间模式数量的增加，管理模式间串扰和干扰的复杂性也随之增加。这必然会导致信号衰减和数据完整性下降，尤其是在长距离传输中。
解决方案是波分复用 (WDM)，它充分利用了光纤中丰富的波长范围。WDM 可以在单根光纤上传输多个不同波长的信号，允许同时传输多个独立的数据流，从而大幅提升光通信系统的容量。
与此同时，工程师们正在试验光的另一个特性：偏振。这促成了偏振复用（PDM）的发明。通过在光的不同偏振态上传输数据，PDM 有效地使每个波长信道的数据容量翻倍。
虽然每种技术本身都很强大，但空分复用、偏振复用和波分复用的组合效果远大于各部分之和。这些不同复用技术的集成催生了各种各样的混合系统，以满足日益增长的大容量数据传输需求。
迈向新的高度
在即将达到 SDM、WDM 和 PDM 协同工作的极限，科学家们一直在研究下一步，它被称为轨道角动量（OAM）复用，它利用了光的另一个独特特性。
这种特性也称为涡旋光束，它具有螺旋相位前沿，可以通过拓扑电荷 (TC) 来区分。每个 OAM 模式都具有不同的 TC，彼此之间成直角。这使得多个数据流可以在同一频段同时发送而不会相互干扰。
OAM 可以与 WDM 和 PDM 结合使用，以利用更宽的频段。这种组合可以将无线数据传输速度提升到 TB/s 级别。
超越数据通信
多路复用是一项强大的技术，其应用范围远超数据电信领域。它广泛应用于各种科学和医学领域，包括生物研究、基因测序和实时聚合酶链式反应 (PCR)。
实时 PCR 允许在同一反应中同时扩增两个或多个目标基因。这在样本量有限的临床环境中尤其有用。同时，它还能节省试剂，并最大限度地减少移液误差。此外，它还能在同一孔中扩增多个基因，从而提高精确度，降低变异性。
该技术也应用于其他科学领域。例如，样本多路复用（也称为多重测序）允许在单次运行中同时合并和测序大量文库。
这些应用之所以使用多路复用技术，原因与其在数据通信中如此普遍的原因相同。同时评估多个实验元素可以提高吞吐量，消除缓冲，降低成本，并增强数据分析的精确度和全面性。这提高了科研和临床诊断的效率和效果。
多路复用的好处
多路复用技术在数据迅速膨胀的世界中至关重要。数据需要可传输才能发挥作用，而这项技术能让我们快速高效地传输大量数据。同时，它还能带来其他好处。
效率
多路复用技术通过优化可用带宽、减少延迟和降低成本来提高数据通信效率。通过一个通信信道发送多个数字信号或数据流，可确保充分发挥介质的潜力。
这些技术促进了低延迟，即减少（或消除）数据从源传输到目的地时所经历的延迟。它通过高效的信号处理和降低的开销来实现。这可以最大限度地利用基础设施（电缆、频率分配或光纤），并确保资源得到高效利用，从而提高性能并降低成本。
体验质量
实时通信应用程序使用多路复用技术来提高带宽和资源，从而提高用户的体验质量(QoE)。
这与服务质量 (QoS) 相关，但又有所区别。QoE 关注的是体验，而 QoS 通常是一项具有可衡量阈值的合同义务。两者都能减少缓冲或缓慢的流，并为用户提供可靠的连接，从而支持高质量的视听体验。
多路复用的挑战
正如我们所看到的，上面提到的每种技术都有其自身的问题。这些问题中的大多数有助于创建更好的方法。但是，还有其他挑战和缺点需要考虑。
实施
设置需要大量的时间、资源和专业技术知识。工作还不止于此；硬件和软件需要持续维护和不定期升级。
其回报通常体现在效率和带宽利用率的提升，从而节省成本。只要周密规划，购置优质设备，并聘请经验丰富的专业人士，收益通常能够超过成本。
干扰
随着各种复用技术的发展，干扰可能成为一个问题。将多个数据流压缩到单个通信信道可能会导致相邻信道之间产生干扰。这会降低信号质量、降低数据速率并增加错误率。
每种技术都内置了规避策略。保护带、精确同步、正交载波、均衡、保护间隔、导频和跳频等策略都可用于减少干扰。
多路复用如何改善流媒体？
我们已经看到，多路复用技术的应用范围远不止数据通信。它们尤其适用于提升流媒体质量，尤其是在视频直播、视频点播、网络会议等众多应用中。
在我们看来，多路复用技术能带来更流畅的流媒体体验，尤其是在高分辨率情况下。这主要有三个原因：
- 最佳带宽管理对于确保流媒体服务能够不间断地提供高质量内容至关重要。它涉及使用压缩技术来减少传输的数据量。它使用自适应比特率流，根据当前网络状况调整媒体流的质量。它还使用网络切片在单个物理网络中创建多个虚拟网络。
- 更高的效率和技术进步，例如新的视频编解码器，可以比单纯的多路复用提供更高的效率。例如，新的流媒体协议可以更快、更安全地发送媒体。人工智能驱动的算法可以根据实时网络状况调整视频质量。
- 提升连接性对于提供流畅的流媒体体验至关重要。5G 移动网络等技术能够以更快的速度和更短的延迟改善流媒体体验，而云计算则使内容交付更加轻松高效。
获得全球优势
当今的商业世界是全球化的。音频和视频需要随时随地访问，且质量不受影响。多路复用技术似乎能够应对这一挑战。
其他技术可助您更进一步。多路复用技术是满足我们日益增长的高质量视频流、无缝会议以及跨全球边缘网络的稳健数据传输需求的基石。通过使多个信号共享单一传输介质，多路复用技术可以优化带宽并提高系统的可扩展性和灵活性。
将多路复用与 5G、人工智能和物联网等新技术相结合，有望进一步突破技术界限。这些进步将使网络速度更快、更可靠、更智能，从而能够支持我们不断增长的数据量。多路复用不仅仅是当今的通信工具，更是支撑并塑造未来通信的基础技术。
常见问题
多路复用如何减少视频流中的缓冲？
多路复用通过优化数据传输和减少延迟来帮助更有效地管理带宽，从而以最少的缓冲实现更流畅的流媒体播放。
为什么多路复用在 5G 网络中很重要？
多路复用使 5G 网络能够处理更高的数据速率、减少延迟并支持多个同时连接，这对于快速可靠的移动通信至关重要。
多路复用如何提高互联网速度？
多路复用通过优化数据包的传输方式、减少网络拥塞并确保有效利用带宽来提高互联网速度。
