计算机网络_物理层

基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性
  指明接口所用接线器的形状和·尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性
  指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性
  指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
• 过程特性
  指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

几个术语

• 数据 --- 运送消息的实体
• 信号 --- 数据的电气或电磁的表现
• 模拟的 --- 代表消息的参数的取值是连续的
• 数字的 --- 代表消息的参数的取值是离散的
• 码元 --- 在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

有关信号的几个基本概念

• 单向通信（单工通信）
  只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
• 双向交替通信（半双工通信）
  通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（也不能同时接收）
• 双向同时通信（全双工通信）
  通信的双方可以同时发送和接收信息

基带信号和带通信号

• 基带信号（基本频带信号）
  来自信源的信号，计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号，基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此必须对基带信号进行调制
• 带通信号
  把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

几种最基本的调制方式

• 调幅（AM）
  载波的振幅随基带数字信号而变化
• 调频（FM）
  载波的频率随基带数字信号而变化
• 调相（PM）
  载波的初始相位随基带数字信号而变化

几种最基本的调制方式.png

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅和相位混合调制方法，例如正交振幅调制（PPT 11页）

信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形失真就越严重

信号传输.png

信道能够通过的频率范围

1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的频带（指无线电频谱上频率界限之间的部分）越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限，无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率C可表达为
C = Wlog2(1+S/N)b/s

• W为信道的带宽（以Hz为单位）
• S为信道内所传信号的平均功率
• N为信道内部的高斯噪声功率

香农公式表明

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
• 若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高，而且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

物理层下面的传输媒体

• 双绞线
  • 屏蔽双绞线STP
  • 无屏蔽双绞线UTP

类数代表抗干扰能力（3类 5类等）

• 同轴电缆
  • 50Ω同轴电缆
  • 75Ω同轴电缆
• 光缆

各种电缆.png

光线在光纤中的折射

光线在光纤中的折射.png

光纤的工作原理

光纤的工作原理.png

多模光纤与单模光纤

多模光纤与单模光纤.png

非引导型传输媒体

• 无线传输所使用的频段很广
• 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差
• 微波在空间主要是直线传播
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

无线局域网使用的ISM频段

无线局域网使用的ISM频段.png

信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念

下图可以很清晰的解释复用

复用.png

频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）

• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的带宽是频率带宽而不是数据的发送速率）。

频分复用.png

时分复用TDM（Time Division Multiplexing）

• 时分复用则是将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙
• 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）
• TDM信号也称为等时信号
• 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度

时分复用.png

时分复用可能会造成线路资源的浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

时分复用造成的线路资源浪费.png

统计时分复用STDM（Statistic TDM）

是一种改进的时分复用器，它能明显的提高信道利用率。集中器常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的数据放入到STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据满了就发送出去。可见STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态的分配时隙。我们还可以看出，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性出现。因此统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

统计时分复用.png

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）

波分复用就是光的频分复用

波分复用.png

码分复用CDM（Code Division Multiplexing）

人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiplexing Access)，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。但由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现

在CDMA中，每一个比特时间（发送1比特需要的时间）再划分为m（通常为64或128）个短间隔，称为码片
使用CDMA的每一站被指派一个唯一的m bit码片序列

• 若发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
• 若发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

例如，S站的8 bit码片序列是00011011，发送比特1时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将1写作+1。

现假定S站要发送信息的数据率为b b/s，由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb b/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频通信的一种。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交，在实用的系统中是使用伪随机码序列

令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0：

内积.png

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1

自己的规格化内积.png

一个码片向量和该 码片反码的向量的规格化内积值为-1

CDMA的工作原理

设S站要发送的数据是1 1 0三个码元。再设CDMA将每一个码元扩展为8个码片，S站的码片序列序列见图，S站发送的扩频信号为Sx（应当注意到，S站发送的扩频信号Sx中，只包含互为反码的两种码片序列）

CDMA的工作原理.png

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算S·Sx 和S·Tx。见上图

数字传输系统

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1 速率1.544mb/s）和欧洲的30路PCM（简称E1 2.048mb/s）。我国采用的是欧洲的E1标准。当有更高的数据率时，可采用复用的方法。

旧的数字传输系统存在着许多缺点

• 速率标准不统一
  如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速传输就很难实现。
• 不是同步传输
  在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用是准同步方式

现代采用

• 同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)
• 同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)

宽带接入技术

ADSL技术（Asymmetric Digital Subscriber Line）

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

• 标准模拟电话信号的频带被限制在300-3400hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1mhz
• ADSL技术就是把0-4khz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
• DSL就是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写

ADSL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称
• 上行指从用户到ISP，下行指ISP到用户
• ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器
• 我国目前采用的方案是离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的多音调就是多载波或多子信道的意思

ADSL的组成

ADSL组成.png

第二代ADSL

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
• 采用无缝速率自适应技术SRA（Seamless Rate Adaptation），可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下自适应地调整数据率
• 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

光纤同轴混合网HFC（Hybrid Fiber Coax）

HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网，CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网，它除了可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互业务，现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输，而HFC网则需要对CATV网进行改造。

HFC的主要特点

• HFC网的主干线路采用光纤
  • HFC将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术
  • 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
  • 模拟光纤从头端连接到光纤结点（fiber node），即光分配结点ODN（Optical Distribution Node）。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

• HFC网采用结点体系结构

  
  
  

  HFC网采用结点体系结构.png

• HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能

  
  
  

  更宽频谱，双向传输.png
• 每个家庭要安装一个用户接口盒UIB（User Interface Box），接口盒要提供三种连接
  • 使用同轴电缆连接到机顶盒再连接到用户的电视机
  • 使用双绞线连接到用户的电话机
  • 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机

FTTx技术

FTTx（光纤到...）也是一种实现宽带居民接入网的方案。

• FTTH（Fiber To The Home）光纤到户 光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法
• FTTB（Building）光纤到大楼 光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户
• FTTC（Curb）光纤到路边 从路边到各用户可使用星型结构双绞线作为传输媒体
• FTTC