雙工

雙工

Duplex Separation, 簡稱:duplex 。指二台通訊設備之間,允許有雙向的資料傳輸。移動設備之間的通信鏈路會占用兩個頻率:從終端到網路(上行鏈路)的傳輸信道,以及一個反方向(下行鏈路)的信道。雙工的含義是可以同時進行雙向傳輸,就如平時的在電話中通話那樣。像步行對話機這樣的設備是半雙工或簡單雙工的。 乙太網可以在半雙工或者全雙工方式下工作。當在半雙工方式下工作時,在任何指定的瞬間可以進行傳送或者接受,但不能同時進行傳送和接受。這意味著:如果當前有另一台設備正在傳送數據(你正在接受該數據),那么你必須等待,只有當那台設備的傳輸結束時,才可以傳送數據。這還意味著:衝突不只是可能存在,而且是很可能存在。將半雙工乙太網構想為一條單行道,然後將報文構想為沿著這條道路呼嘯而過的城市公交汽車。如果一輛公共汽車向你駛來,而你的公共汽車向其駛去,這就會產生衝突。這個衝突會導致同時喪失兩輛公共汽車(或報文)。

可以使用交叉電纜來實現兩台設備之間全雙工通信,在交叉電纜中,傳送電纜和接收電纜交叉,這樣,在一端上進行傳送,而在另一段進行接收。這種場合中不需要集線器

注意:全雙工通信不能夠在物理匯流排拓撲上實現。

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定義

提到全雙工,就不能不提與之密切對應的另一個概念,那就是“半雙工(Half Duplex)”,所謂半雙工就是指一個時間段內只有一個動作發生,舉個簡單例子,一條窄窄的馬路,同時只能有一輛車通過,當目前有兩輛車對開,這種情況下就只能一輛先過,等到頭兒後另一輛再開,這個例子就形象的說明了半雙工的原理。早期的對講機、以及早期集線器等設備都是基於半雙工的產品。隨著技術的不斷進步,半雙工會逐漸退出歷史舞台。

分類

數據通常是在兩個站(點對點)之間進行傳輸,按照數據流的方向可分為三種傳輸模式:單工、半雙工,全雙工。

單工

單工(simplex)指僅能單方向傳輸數據。通信雙方中,一方固定為傳送端,一方則固定為接收端。信息只能沿一個方向傳輸,使用一根傳輸線。
例如計算機和印表機之間的通信是單工模式,因為只有計算機向印表機傳輸數據,而沒有相反方向的數據傳輸。還有在某些通信信道中,如單工無線傳送等。

半雙工

半雙工(half-duplex)的系統允許二台設備之間的雙向資料傳輸,但不能同時進行。因此同一時間只允許一設備傳送資料,若另一設備要傳送資料,需等原來傳送資料的設備傳送完成後再處理。
半雙工在通信過程中,信息既可由A傳到B,又能由B傳A,但只能有一個方向上的傳輸存在。採用半雙工方式時,通信系統每一端的傳送器和接收器,通過收/發開關轉接到通信線上,進行方向的切換,因此,會產生時間延遲。收/發開關實際上是由軟體控制的電子開關。
雙工
半雙工的系統可以比喻作單線鐵路。若鐵道上無列車行駛時,任一方向的車都可以通過。但若路軌上有車,相反方向的列車需等該列車通過道路後才能通過。
無線電對講機就是使用半雙工系統。由於對講機傳送及接收使用相同的頻率,不允許同時進行。因此一方講完後,需設法告知另一方講話結束(例如講完後加上"OVER"),另一方才知道可以開始講話。

全雙工

全雙工(full-duplex)的系統允許二台設備間同時進行雙向資料傳輸。一般的電話、手機就是全雙工的系統,因為在講話時同時也可以聽到對方的聲音。
全雙工在通信過程中,線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸。在全雙工方式下,通信系統的每一端都設定了傳送器和接收器,因此,能控制數據同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換,因此,沒有切換操作所產生的時間延遲,這對那些不能有時間延誤的互動式套用(例如遠程監測和控制系統)十分有利。這種方式要求通訊雙方均有傳送器和接收器,同時,需要兩根數據線傳送數據信號(可能還需要控制線和狀態線,以及地線)。
全雙工的系統可以用一般的雙向車道形容。兩個方向的車輛因使用不同的車道,因此不會互相影響。
全雙工系統的模擬
當一個設備連線到網路上,需要利用通道存取方法(en:channel access method)使傳送的資料及接收的資料共享同一物理介質。此時使用的通道存取方法就稱為雙工(duplexing)方法,全雙工主要有兩種形式。分別為時分雙工(時間分隔多工)和頻分雙工。
時分雙工(時間分隔多工)
時分雙工(英文縮寫為TDD,Time-Division Duplexing),是指利用時間分隔多工技術來分隔傳送及接收信號。 它利用一個半雙工的傳輸來模擬全雙工的傳輸過程。時分雙工在非對稱網路(上傳及下載頻寬不平衡的網路)有明顯的優點,它可以根據上傳及下載的資料量,動態的調整對應的頻寬,如上傳資料量大時,就提高上傳的頻寬,若資料量減少時再將頻寬降低。
時分雙工的另一個好處是在緩慢移動的系統中,上傳及下載的無線電路徑大致相同,因此類似波束成形(en:beamforming)的技術可以運用在時分雙工的系統中。
以下是一些時分雙工系統的例子:
UMTS/WCDMA TDD 模式(室內使用)
TD-SCDMA 系統
DECT
IEEE 802.16 WiMAX TDD 模式
使用載波偵聽多路訪問(en:carrier sense multiple access)技術的半雙工封包網路,例如乙太網路或使用集線器的乙太網路、無線區域網路 (WLAN)及藍牙等,雖然不像TDMA使用固定的框架寬度,不過均可視為時分雙工的系統。
頻分雙工
頻分雙工(英文縮寫為FDD,Frequency Division Duplexing),是利用頻率分隔多工技術來分隔傳送及接收的信號。上傳及下載的區段之間用“頻率偏移”(frequency offset)的方式分隔。若上傳及下載的資料量相近時,頻分雙工比時分雙工更有效率。 在這個情形下,時分雙工會在切換傳送接收時,浪費一些頻寬,因此延遲時間較長,而且其線路較複雜且耗電。
頻分雙工的另一個好處是在無線電收發規劃上較簡單且較有效率,因為一個設備傳送及接收使用不同的頻帶,因此設備不會接收到自己傳出的資料,傳送及接收的資料也不會互相影響。
在時分雙工系統中,需在鄰近的區段中增加保護區段(guard band),但這會使頻譜效率下降。否則就要有同步機制,使一設備的傳送和另一設備的接收同步。同步機制會增加系統的複雜度及成本,而且因為所有的設備及時間區塊都要同步,也降低了頻寬使用的靈活性。
以下是一些頻分雙工系統的例子:
非對稱數位用戶線路(ADSL)及 超高速用戶數位迴路(VDSL)
大部份的手機系統,包括UMTS/WCDMA FDD 模式
IEEE 802.16 WiMAX FDD 模式

範例

網卡
網卡的全雙工(Full Duplex)是指網卡在傳送數據的同時也能夠接收數據,兩者同步進行,這好像我們平時打電話一樣,說話的同時也能夠聽到對方的聲音。目前的網卡一般都支持全雙工。
電話網路
手機網路
IRC

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