通讯传输的基本概念——单工和双工

在通信领域，单工（Simplex）和双工（Duplex）描述了数据传输的方向性，是衡量通信通道能力的核心概念。以下从定义、分类、典型场景及对比展开说明：

一、单工通信（Simplex Communication）

1. 定义

数据仅能单向传输，通信双方角色固定：一方只能发送，另一方只能接收，且无法切换。

• 核心特点：
  • 传输方向不可逆，无反向通信通道。
  • 无需考虑双向同步或冲突处理。

2. 典型场景

• 广播与监听：
  • 收音机（电台发射信号→用户接收，无反向通道）。
  • 气象卫星数据传输（卫星→地面站单向发送）。
• 工业控制：
  • 传感器→控制器（如温度传感器实时发送数据至PLC，PLC不回传数据）。
• 计算机外设：
  • 早期打印机（仅接收主机数据，不反馈状态）。

3. 技术实现

• 硬件：单根传输线（如单天线广播）或单向通道（如光纤单纤单向）。
• 协议：无需握手或应答机制，发送方直接传输数据（如UDP广播）。

二、双工通信（Duplex Communication）

数据可双向传输，根据是否支持同时双向传输，分为半双工（Half-Duplex）和全双工（Full-Duplex）。

1. 半双工通信（Half-Duplex）

• 定义：
  数据可双向传输，但同一时刻只能单向传输，需通过切换方向实现交替通信。
  

• 核心特点：

  • 共享同一通信通道，发送和接收不能同时进行。
  • 需要方向控制机制（如切换开关、协议约定）。

• 典型场景：

  • 对讲机：按住按键说话时无法收听，松开后才能接收（“PTT”按键控制方向）。
  • 传统以太网（10Base-T）：早期集线器（Hub）连接的设备共享总线，同一时刻只能有一方发送数据。
  • 工业总线：RS-485（半双工差分传输，多设备共享总线，需通过使能信号控制发送方）。

• 技术实现：

  • 单通道复用（如同一根电缆通过时分复用切换方向）。
  • 协议示例：I2C（主从半双工，主设备控制SDA读写方向）。

2. 全双工通信（Full-Duplex）

• 定义：
  数据可同时双向传输，发送和接收独立进行，互不干扰。
  

• 核心特点：

  • 具备独立的发送和接收通道（物理或逻辑隔离）。
  • 无需切换方向，效率高，适合实时交互场景。

• 典型场景：

  • 电话通信：双方可同时说话和收听。
  • 现代以太网（交换式网络）：通过交换机实现端口间全双工通信（发送和接收使用独立引脚或波长）。
  • 手机通信：4G/5G网络支持同时通话和上网（上行与下行通道分离）。

• 技术实现：

  • 物理隔离：
    • 双线制（如USB的D+/D-差分对，发送和接收独立）。
    • 双纤光纤（一根发送，一根接收）。
  • 逻辑隔离：
    • 频分双工（FDD）：发送和接收使用不同频率（如4G LTE的上行/下行频段）。
    • 时分双工（TDD）：同一频率下分时隙双向传输（如Wi-Fi 6的UL/DL OFDMA）。

三、关键对比：单工 vs 半双工 vs 全双工

维度	单工	半双工	全双工
传输方向	单向（固定）	双向（分时切换）	双向（同时）
通道数量	单通道	单通道	双通道（物理/逻辑）
典型协议	广播协议（如DHCP广播）	I2C、RS-485、对讲机	USB、以太网、电话
效率	低（单向固定）	中（需切换方向）	高（同时双向）
冲突处理	无需	需要（避免同时发送）	无需（通道独立）
应用场景	单向数据传输	双向非实时交互	实时双向交互

四、技术演进与实际应用选择

1. 从半双工到全双工的演进

• 驱动因素：
  • 实时性需求：如视频会议、在线游戏需要低延迟双向通信。
  • 带宽提升：高速总线（如PCIe、USB）通过物理通道分离实现全双工。
• 案例：
  • Wi-Fi发展：早期802.11b/g为半双工（共享信道），802.11n/ac引入MIMO技术，通过空间流实现逻辑全双工；
  • 以太网升级：从集线器（半双工）到交换机（全双工），冲突域消失，带宽翻倍（如100Mbps全双工=200Mbps总带宽）。

2. 如何选择通信模式？

• 单工：仅用于单向传输场景（如传感器数据上报、广播通知）。
• 半双工：
  • 成本敏感且非实时场景（如RS-485多设备组网，只需一对双绞线）。
  • 共享介质且需双向通信（如传统Wi-Fi设备通过CSMA/CA避免冲突）。
• 全双工：
  • 实时交互场景（如语音通话、远程桌面）。
  • 高速总线或独立通道可用时（如USB、光纤通信）。

五、常见误区解析

误区1：全双工一定比半双工好

• 反例：
  • 在频谱资源有限的场景（如窄带物联网），半双工的TDD模式更高效（无需预留独立频段）。
  • 简单设备（如RFID标签）采用半双工反向散射通信，降低硬件复杂度。

误区2：单工通信已淘汰

• 事实：
  • 广播类应用（如FM广播、卫星电视）仍依赖单工模式，因其无需接收端反馈，成本极低。
  • 工业领域的单向传感器网络（如烟雾探测器→控制器）广泛使用单工通信。

总结

• 单工：单向通道，适用于“一发多收”或简单单向场景。
• 半双工：分时复用单通道，适合双向非实时、低成本场景。
• 全双工：同时双向通道，满足实时交互和高速传输需求。

理解三者差异后，可根据项目的传输方向需求、实时性要求、成本限制选择合适的通信模式。例如：

• 设计一个温湿度传感器（仅需上传数据）→ 单工模式；
• 开发多设备工业仪表（需双向问答式通信）→ 半双工（如Modbus RTU）；
• 实现高速数据传输模块（如USB摄像头）→ 全双工模式。