计算机网络学习笔记：物理层

目录:

一、前提须知 ：

二、物理层的基本介绍：

三、数据通信的基本知识：

数据通信的理论基础：

数据的传输方式：

数据通信的主要技术指标：

关于信道的后续相关介绍：

四、数据编码技术：

数据编码技术的分类：

数字数据的数字信号编码：

数字数据的模拟信号编码：

模拟数据的数字信号编码：

模拟数据在模拟信道上传输：

五、数据交换技术：

主要分类：

电路交换技术：

存储转发交换技术：

数据交换技术的之间的比较：

虚电路技术：

六、多路复用技术：

频分多路复用（FDM）：

时分多路复用（TDM）：

码分多路复用（CDM)：

七、传输介质：

引导性传输介质：

非引导性传输介质：

通信卫星：

八、物理层协议：

定义与作用：

相关设备：

几个常用的物理层接口：

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一、前提须知 ：

OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。

TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层；但最下面的网络接口层并没有具体内容。

因此学习往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。

 

二、物理层的基本介绍：

物理层的作用：将比特从一台机器传输到另一台机器。

基本思想：

• 将比特数据转化为某种信号，依靠信号的传播完成数据传输。

功能：

• 为数据终端设备提供传送数据的通道。

• 在数据通道上传输数据

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物理层的主要任务：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。
• 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的意义。
• 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

三、数据通信的基本知识：

数据通信的理论基础：

理论基础：

改变诸如电压或电流等某种物理特性的方法可用来在电线上传输信息。

什么是信息、数据与信号？

信息（Information）：客观事物属性和相互联系特性的表征（反映了客观事物的存在形式和运动状态）。

数据（Data）：对客观事物进行描述与记录的物理符号（可以理解为“信息的数字化形式”）。

信号（Signal）：数据的电压或电磁编码。

三者之间的联系：

数据是信息的载体，信息是数据的内容与解释，信号是数据的编码。（换句话说：信息承载在数据上由信号传输！）

通信：广义上将，用任何方法、通过任何介质将信息从一地送到另一地，均称为通信。

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数据通信系统的模型：

 

信源：通信过程中产生和发送信息的设备或者计算机。

信宿：通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

发送器：信号变换设备，可以将信源产生的信息转换为在传输系统中传输的信号。

接收器：信号变换设备，可以将传输系统中传输过来的信号转换为能够被信宿处理的数据。发送器和接收器通常集成在一起，如调制解调器（Modem）。

信道：信源和信宿之间的通信线路。

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数据的传输方式：

分类一：

并行传输：

一次发送n个比特，大小取决于发送端和接收端的传输线路数量。

串行传输：

一次只发送一个比特，发送端和接收端只有一条线路。用于远距离传输。

 

分类二：

异步传输：

以字符作为独立的传输单位，每个字符的起始处对字符内的比特进行同步，字符之间的时间间隔是不定的。

因此，异步传输时，每个字符的起始和终止处需要有相应的标志。

同步传输：

以包含若干字符或比特的数据块作为传输单位，数据块内比特之间的时间间隔是固定的，只需要在数据块的起始处和终止处有相应的标志。

采用同步传输，收发双方必须达到某种程度上的时钟同步，实现的方式有两种：外同步法和内同步法。

外同步法：

• 接收方的同步信号由放松方事先送来。在实际发送数据之前，发送方先向接收方发送一串同步时钟脉冲，接收方按照这一时钟脉冲的频率和时序锁定接收方的接收频率，以便在后续的数据接收过程中始终和发送方保持同步。

内同步法：

• 在数据信号中提取同步信号。（譬如局域网中常采用的曼彻斯特编码）

 

分类三：

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(当然也就不能同时接收)。

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。

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数据通信的主要技术指标：

数据传输速率：

定义：又称为比特率，是指在每秒能传输的二进制信息位数。

单位：比特/秒，记作bit/s或者bps。

计算公式：

公式解释：

• T表示数字脉冲信号的宽度（全宽码情况）或者重复周期（归零码情况），单位为秒。
• N为一个码元 所取的有效离散值的个数，又称为调制电平数。（譬如二进制数字信号的调制电平数为2，此时N=2，一个码元携带一位二进制信息）

 

那么什么是码元呢？

码元是时间轴上的一个信号编码单位。对于数字通信来说，一个数字脉冲就是一个码元；对于模拟通信来说，载波的某个参数或者几个参数的变化就是一个码元。无论在数字通信还是在模拟通信中，一个码元所携带的信息量是由码元所取的有效离散值的个数（状态值）所决定的。

 

信号传输速率：

定义：又称为码元速率、调制速率或波特率，它是指每秒信号状态变化的次数或者通过信道传输的码元个数。

单位：波特

计算公式：若一个码元所取的有效离散值个数为N，则一个码元所携带的二进制位数为。因此数据传输速率S与信号传输速率B具有以下的关系：或者

 

信道容量：

定义：信道容量 C 代表着传输数据的能力，即信道的最大数据传输速率。

单位：bit/s

模拟信道的最大数据传输速率是受模拟信道带宽制约的，对于该问题，奈奎斯特和香农展开研究，提出了奈奎斯特定理和香农定理。

奈奎斯特定理：

 在理想的低通道信道中（不考虑噪声干扰），为了避免码间串扰，码元速率的极限值 B 与信道带宽 H 之间的关系为——B=2H。

• 由该定理可知，码元的传输速率是受限制的，不可以任意提高，否则在接收端会导致码间串扰而无法判断码元边界。实际信道中，最高码元速率比奈奎斯特定理得出的理想值还要小。

• 由此可知，在理想低通信道中，信道容量（即信道的最大数据传输速率）

 

计算举例：使用带宽为3kHz的信道传输二元调制信号，根据奈奎斯特定理，求解信道的最大数据传输速率。

根据奈奎斯特定理 H = 3000，因为是二元调制信号，所以 N = 2，故求解可得C = 6000bit/s = 6kbit/s.

香农定理：

因为奈奎斯特考虑的是无噪声的理想情况，但是在实际生活中，由于分子热运动，随机热噪声总是存在的，所以不存在无噪声信道。

• 热噪声可以用信号功率与噪声功率的比值进行衡量，即信噪比。
• 如果将信号功率记作 S ，噪声功率记作 N，则信噪比为 S/N 。
• 人们通常不使用信噪比本身，而是使用，该值为分贝（dB）

香农在考虑热噪声存在的条件下，给出了信道容量（即信道的最大数据传输速率）C的计算公式：，其中S/N表示信噪比，H为信道宽度。

计算举例：求解信噪比为30dB，带宽为3kHz的信道的容量C。

根据香农定理，C = 3000 x   = 3000 x  = 3000 x  = 30kbit/s.

 

误码率：

误码率是衡量数据通信系统在正常工作时传输可靠性的指标。

定义：二进制数据位在传输时出错的概率。

公式：误码率 = 出错的位数 ÷ 传输的二进制位

在计算机网络中，一般要求 误码率，而且可以通过差错控制机制检错和纠错降低误码率。

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关于信道的后续相关介绍：

信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。（顾名思义就是信息的通道）

 

那么信道有了，如何认识信号呢？

 

用一个以时间t为自变量的单值函数f(t)来表示电压或电流的值，就可以对信号的行为进行建模，并用数学手段对其进行分析。

信号建模：傅里叶分析

傅里叶证明了：任何一个周期为T的函数g(t)，都可以表示成用正弦函数和余弦函数组成的无穷级数：

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那么信道有了，信号也有了；我们能直接发送信号了吗？

 

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像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。

基带信号往往包含有较多的低频成分，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  (modulation)。

 

 

那么什么是调制呢？调制有哪些又是怎么做的？

 

调制分为两大类：

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。

通带调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。

通带信号 ：经过载波调制后的信号。

 

 

解决了传输上的问题，我们接下来解决以下原材料的问题（即传输的数据）！

 

数据分为两大类：

模拟数据：也称为模拟量，取值范围是连续的变量或数值。

数字数据：也称为数据量，取值范围是离散的变量或数值。

 

相应的就对应着两大类信号！

 

模拟信号：

在时间上和幅值上均是连续的信号叫做模拟信号。此类信号的特点是,在一定动态范围内幅值可取任意值。许多物理量,例如声音、压力、温度等均可通过相应的传感器转换为时间连续、数值连续的电压或电流。

数字信号：

与模拟信号相对应,时间和幅值均离散( 不连续 ) 的信号。数字信号的特点是幅值只可以取有限个值。

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四、数据编码技术：

数据编码技术的分类：

为了使信源产生的数据能够在相应信道上传输，在源系统端需要有信号变换设备，将信源产生的原始数据转换为适合在信道上传输的信号。同样，为了使信宿能够接收并处理信道上传输过来的信号，在目的系统端也需要信号变换设备，将信道上传输的信号转换为适合被信宿处理的数据。在上述过程中需要用到数据编码技术。

​所以一共分为四种！

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数字数据的数字信号编码：

基本信号编码：

不归零

单级不归零码：有电压（电流）：1；无电压（电流）：0

双级不归零码：正电压（电流）：1；负电压（电流）：0

 

归零

单级归零码：发送1码时，有电流，码元周期内回调为0电流；发送0码无电流

双级归零码：发送1码时，有电流，码元周期内回调为0电流；发送0码负电流

• (a)(b)不归零码两种编码占用全部码元宽度，又称全宽码。
• 归零码可以解决不归零码边界不易识别的问题，但是占用频带较宽。
• 单极性编码会造成直流分量积累，无法使用变压器在通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，而且直流分量还会损坏连接点的表面电镀层。
• 双极性编码的直流分量会大大减少，有利于数据传输。

 

曼彻斯特与差分曼彻斯特编码：

• 两种编码中，每个二进制位均用一个“高-低”或“低-高”电平对表示
• 在每个二进制位持续时间的中间有一次电平的跳变
• 接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步（自同步）
• 每一个码元都被调制成为两个电平，数据传输速率只有调制速率的一半，因此编码效率只有50%
• 在低速局域网中被广泛使用

 

4B/5B编码：

将要发送的数据流每 4bit 为一组，然后按照 4B/5B 编码规则将其转换为相应的 5bit 码（相当于用5位存4位数据），每个 5 位码组中不会多于 3 个 0 或者不会少于两个 1 。

4B/5B 编码效率为80%。

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数字数据的模拟信号编码：

首先介绍一下通带传输：

一般情况下，我们在一个信道上发送信息所使用的频率范围并不是从零开始的。

对于无线信道来说，发送非常低频率的信号很不切实际：

• 因为天线的大小与信号的波长成正比
• 低频信号需要相当大的天线
• 在任何情况下，监管约束和避免干扰的需要往往决定了频率的选择

即使是电线，把信号防止在一个给定的频带上非常有用，因为这样在信道上可以允许不同信号共存

这类任意的一个频率波段都用来传递信号的传输，称为通带传输。

 

数字调制可借助通带传输完成。

即针对通带内的载波信号进行调节或调制

可以调节载波信号的振幅、频率和相位

针对这些信号特征的调制方法都有一个对应的名称：

•  移幅键控(调幅)（Amplitude Shift Keying, ASK）：用两个不同载波信号的幅值分别代表两个二进制数字0和1。

• 移频键控(调频)（Frequency Shift Keying, FSK）：用两种不同频率的载波分别表示二进制数字0和1。

• 移相键控(调相)（Phase Shift Keying, PSK）：利用相位不同的载波信号来表示数据。 

 

为了 提高数据传输速率 ，还可以 把各种调制方式组合 如将ASK和PSK组合产生的正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM）。

 

正交振幅调制（QAM）：

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模拟数据的数字信号编码：

这个编码方式面临的最主要的问题是——如何在不损失信号质量的前提下，将信息从无穷多的连续值转换为有限个离散值！

• 最常用的调制方法为——脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）

 

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）：

脉冲编码调制的工作过程为：采样、量化和编码三个步骤。

采样：

采样就是按照一定的时间间隔（或采样频率）测量模拟信号幅值。采样频率由采样定理给出。

采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息。

使用举例：某路语音信号的带宽为4kHz，则采样频率可取为8kHz，即每秒采样8k次，或者说每隔125微秒采样一次。

量化：

量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程。量化级数一般取为  。

• 因为要对采样点的幅值取整，所以量化误差是一直存在的，可以通过提高量化级数来减少量化误差。

编码：

编码就是将量化后的整数值用二进制数来表示。

将每个采样点对应的离散值编成一定位数的二进制数码，称作一个码字，码字长度是量化级数 N 的对数。

计算举例：对于带宽为4kHz的语音信号，采用量化级别为128的PCM方法编码，请问：所产生的二进制位最少需要多大传输速率的信道才能传输？

带宽为： x 2 x 4000 = 56000bit/s = 56kbit/s

 

脉冲编码调制（PCM）存在着一个瑕疵——每个样本取整量化的绝对误差相同，与信号幅值无关，因此低幅值的采样值相对误差较大。为了解决这个问题，所以又提出了差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation）

 

差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation）：

方法：利用信号的相关性找出可以反映信号变化特征的一个差量值进行编码，即对当前值和前一个值之差进行编码。

优势：依据相关性原理，这一差值的幅度范围一定小于原信号的幅度范围，这样就：减少了编码位数。因此，在保持相同量化误差的条件下量化电平数减少，即提高了编码效率。

 

 

下面介绍一个差分脉冲编码调制中的一种！

 

增量调制：

特征：增量调制是一种简单的差值脉冲编码调制方式。

• 将相邻采样点的量化值之差进行量化，并且只对这个差值的符号进行编码。

• 量化值限于正和负，只用一个比特传输样值。

目的：简化模拟信号的数字化方法

应用：在军事通信和卫星通信中广泛应用

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模拟数据在模拟信道上传输：

 模拟调制将一个输入信号m(t)与频率为fc的载波结合以便产生一个带宽以fc为中心的信号s(t)的过程。

模拟数据进行调制解调：为了有效传输需要高频；调制可允许频分多路复用。

调幅：

• 调幅在调幅技术中，载波信号的振幅根据调制信号的振幅的改变调整。

• 载波信号的频率相位不变。

• 调制信号变成了载波信号的一个包络线。

 

五、数据交换技术：

主要分类：

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电路交换技术：

电路交换数据传输的三个阶段：电路建立----数据传输----电路释放。

 

电路交换的特点：

两部电话机进行连接时，只需要一对电线。

五部电话机进行两两连接时，需要十对电线。

N 部电话机进行互联时，需要 N(N-1)/2 对电线。

当电话机的数量到达一定时，互联所需的电线对数和电话机数的平方成正比。这个时候就需要交换机完成全网的交换任务了，

交换的含义就是连接——把一条电话线转接到另一条电话线，使其联通起来。从资源分配的角度来看，交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。

通过上面的描述我们可知电路交换的特点就是：

 

电路交换举例：

A和B之间的通话交流：

用户线：电话用户连接交换机之间的线路，用户专用的。

中继线：交换机之间的中继线，是用户共享使用的，正在通话的两个用户只占用其中一条线路。在通话的整个过程中，通话的两个用户始终占用着端到端之间的通信资源。

 

电路交换的优缺点：

 

由于计算机线路具有突发性，线路利用率不到1%，这导致通信线路的利用率很低，所以不适合于电路交换。所以要用到下面介绍的存储转发交换技术。

 

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存储转发交换技术：

特征：不需要建立专用通信线路，中间交换结点收到信源方向传来的数据时，先在本地暂存，然后根据输出端口的状态选择合适的输出线路进行转发。

分类：根据交换时传输数据单位的大小，存储转发交换又分为报文交换和分组交换。

• 报文交换：报文长度大小不受限

• 分组交换：分组大小一定

 

报文交换技术：

交换流程：

• 源主机与目标主机通信时，由源主机把用户所要发送的正文配上报头形成报文后，发送给相邻的交换器。

• 交换器把收到的信息存入缓冲区并送入队列等待处理。

• 交换器再依次对输入队列中的报文作适当处理，然后根据报头中的目标地址，选择适当的输出链路。

• 若链路空闲，便启动该链路的发送进程将报文发往下个一个交换器。

• 如此多次转发，直至报文到达指定目标。

• 若该输出链路正忙，则将装有信息的缓冲区送该链路的输出队列上排队等待发送。

 

延迟点：

存储—转发延迟：中间节点存储转发报文而产生的延迟

排队延迟：等待处理，等待发送

特点：

• 不建立专用线路，线路利用率高

• 要求中间结点（网络通信设备）缓存大，通常采用硬盘作为缓存

• 延迟时间长，不可估计

 

分组交换技术：

交换原理：

• 利用存储转发技术，将报文划分为几个分组。
• 分组是指：在发送报文之前，将较长的报文划分为一个更小的等长数据段。并且在每个数据段之前加上一些必要的控制信息组成的首部后，构成分组。分组又称之为“包”，分组的首部也称之为“包头”。
• “包头”包含了目的地址和源地址等重要控制信息，这样分组才能通过路由器，在因特网上独立的选择传输路径。
• 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
• 使用这样的存储转发方式，最后分组就能达到最终目的地。

优缺点：

优点：

• 高效——动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

• 灵活——以分组为传送单位和查找路由。

• 迅速——不必先建立连接就能向其他主机发送分组。

• 可靠——保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使得网络有很好的的生存性。

缺点：

• 分组在各个结点存储转发都需要排队，这就会造成一定的时延。

• 分组必须携带的首部（包含必不可少的控制信息）造成了一定的开销。

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数据交换技术的之间的比较：

使用情形：

由此可知，若要连续传送大量的数据，而且传送时间远大于连接建立时间，则适合选用电路交换技术。若要传送突发数据，则适合选用报文交换技术和分组交换技术。由于一个分组的长度往往小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，也具有更好的灵活性。

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虚电路技术：

将电路交换的概念引入到分组交换中。

虚电路连接的建立：

传输方发起连接请求，中间结点根据路径信息建立交换表，在交换表内，结点为连接建立一个虚电路号，并与端口号相关联，表示用户信息从该端口输入，以及从哪个端口输出到下一结点。

虚电路连接的传输：

分组中没有目的地址，只有虚电路号，接收分组时只检查其头部，一旦得到其虚电路号，查询交换表，转发至适当的端口。

虚电路连接的拆除

 

六、多路复用技术：

简述：

当传输介质的带宽或容量超过传输单一信号的需求时，为了有效地利用通信线路，可以采用多路复用技术（Multiplexing）把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，从而节省电缆安装维护和通信的费用。

分类：

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频分多路复用（FDM）：

技术原理：当传输介质有效带宽超过被传输信号带宽时，可以把多个信号分别调制到不同的载波频率上，从而在同一传输介质上同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成多个子信道；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用。

主要缺点：设备生产比较复杂，会因滤波器特性不够理想以及信道内存在非线性谐波失真而产生的路间干扰。

应用举例：话音通信中，ITU-T的标准和北美与日本采用的贝尔标准

• 每路话频信道的带宽为4 kHz，用户使用3kHz，再加上两个500Hz的防护频带

• 12路话音频分多路复用到一条带宽为48kHz的线路上，称之为群，可以是12kHz~60kHz或60kHz~108kHz等。

• 5个群又可被频分多路复用为带宽240 kHz的超群，一个超群中含有60路话音信道，

• 5个或10个超群进一步频分多路复用为带宽更宽的主群，他们分别含有300路或600路话音信道

 FDM的变种——波分多路复用：

• 两根光纤连到一个无源棱柱或衍射光栅，每根光纤的能量处于不同的波段。两束光通过无源棱柱或光栅复用到一根长距离传输的光纤上，传输到远方的目的地后再将它们分解开来。

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时分多路复用（TDM）：

技术原理：若传输介质所能达到的传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用，一个复用的信号占用一个时间片，采用信号在时间上的交叉，在一个物理信道上传输多个数字信号。

• 将物理信道，按时间分成若干个时间片轮流分配给多个信号使用
• 每个复用的信号占用一个时间片
• 利用信号在时间上的交叉，在一个物理信道上传输多个数字信号 

• 假设有8个输入，每个输入的数据速率为9.6kbit/s
• 将共享的物理传输线路按时间分成若干个时间片，每个时间片称为一帧（Frame）
• 每个帧再分为若干时隙（图中为8个时隙），每个时隙由一路信号占用
• 一个容量为76.8kbit/s的线路就可容纳8路信号

 

分类：按信号占用时隙是否固定可变，分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。

 

同步时分多路复用：每路信号占用时间片预先分配且固定不变，即使无数据发送也不能被其他数据源占用。

优点：控制简单，实现容易。

缺点：造成信道资源浪费。

 

异步时分多路复用：又被称为统计复用，允许动态分配信号的时间片，每个时隙中必须有用户的地址信息 。

 

TDM应用举例： 

T1信道：广泛用于北美和日本

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码分多路复用（CDM)：

码分多路复用，又称码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA） ；真正的动态复用技术，它 既共享信道的频率，又共享时间； 抗干扰能力强。

 

技术原理：

• 每个站点被分配一个m位的唯一的码片序列。
• 00011011表示成（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）。
• 码片序列应满足任意两个码片序列都必须是两两正交。
• 对于任何站点，如果要发送比特1就发送m位的码片序列，发送比特0就发送码片序列的反码 ，信号在信道中线性相加。

 

CDM举例：

• 站点S和T的码片序列分别为（-1-1-1+1+1-1+1+1）和（-1-1+1-1+1+1+1-1）
• 站点S和T均发送比特1
• 因此信道上叠加的结果P为（-2,-2,0,0,+2,0,+2,0）
• 信道另一端识别方法：S·P=1，T·P=1，
• 此可知站点S和T均发送比特1。 

 

七、传输介质：

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间进行数据传输的物理通路。

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引导性传输介质：

磁介质：

磁介质传输方法：

• 将数据写到磁带或其他可擦写介质上
• 用物理的方法将磁带或磁盘运送到目标机器
• 将数据从磁带或磁盘里读出来

这样传输的带宽是多少？成本是多少？

• 一个60*60*60厘米的盒子可以装下1000个磁带；按Ultrium标准每个磁带容量800GB；通过顺丰快递一天内能将它运送到任何一个地方。
• 带宽为：800TB/24*60*60s=70Gbps

缺陷：尽管磁带具有优良的带宽特性，但其延迟特性却很差。传输时间以分钟或小时来计，而不是以毫秒来计，而这恰是许多在线应用所需要的。

适用场景：虽然用磁介质传递比特的方法不像接下来要讲的通信卫星等那么复杂，但它却更加有效，尤其适合于那些高带宽或者单个比特传输成本是关键因素的应用系统。

 

双绞线：

特征描述：

• 双绞线（twisted pair）：一个最老但至今最常用的传输介质。
• 为什么双绞？——降低电线的辐射；对外部噪声有更好免疫力。
• 双绞线最常见的应用是电话系统。
• 双绞线可以延伸几千米而不需要放大，但如果距离很远，就必须要是用中继器。
• 双绞线所获得的带宽取决于导线的厚度（即直径）以及传输距离的远近。
• 既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。
• 许多情况下，双绞线传输几千米的距离可以达到几Mbps的带宽。
• 由于双绞线具有足够的传输性能以及相对较低的成本，所以它的应用广泛。

分类（按照双绞线的绞合度分类）：

• 一类线、二类线、三类线、四类线、五类线、超五类线、六类线、超六类或6A、七类线

• 到6类为止，都是非屏蔽双绞线，第7类双绞线在每对双绞线外面加了一个屏蔽层。

 

同轴电缆：

特征描述：

• 它比双绞线有更好的屏蔽特性和更大的带宽。
• 广泛使用的电缆有两种（50Ω电缆被用于数字传输；75Ω电缆一般用于模拟传输（有线电视传输））
• 同轴电缆的结构和屏蔽性使得它既有很高的带宽，又拥有很好的抗躁性。
• 带宽取决于电缆的质量和长度。
• 现代电缆能达到几个GHz的带宽。

 

光纤：

理论上限：光纤技术的可达带宽超过50000Gbps（50Tbps）

实际带宽：当前实际带宽只能达到100Gbps。

why？只所以无法获得更好的带宽，在于我们无法把电气和光学信号之间的转换进行得更快，为了建设高容量的链路，可在单条光纤并发地使用多个信道来传送信号。

 

 

光线在光纤中的折射：

运用场景：光纤主要用于网络骨干的长途传输、高速局域网，以及高速Internet接入。

 

光纤传输系统构成：光源、传输介质和探测器

• 一个光脉冲表示比特1，没有光脉冲表示0。
• 传输介质是超薄玻璃纤维。
• 光探测器探测到光时产生一个电脉冲。
• 这种传输系统会漏光，但是当入射角度大于等于临界值的光被限定在光纤内部，它可以传播好几千米而没有损失。

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非引导性传输介质：

无线电波：

技术原理：

• 当电子运动时会产生电磁波，电磁波可在空中传播（即使在真空中）。
• 1865年，英国物理学家马克斯韦尔预言了这种波的存在，1887年德国物理学家赫兹观测到。
• 电磁波每秒震动的次数称为它的频率（frequency），用f表示，单位：赫兹。
• 两个相邻的波峰之间的距离称为波长（wavelength），用λ表示。
• 当一个大小适中的天线被连接到一个合适的电路上时，电磁波就可以被有效地广播出去，在一定距离内的接收者能收到该电磁波。——这就是所有无线通信的原理。
• 在真空中，所有的电磁波都用同样的速度传播，跟频率无关，这个速度称为光速，用c表示，近似等于3*108m/s。
• λ, f和c之间的关系： λf=c。

技术特性：

• 无线电频率（RF，Radio Frequency）的波形很容易产生，它可以传输很长距离，并且很容易穿透建筑物，全方向传播，发射设备和接收设备不需要在物理上小心地对齐。
• 在自由空间中，距离每增加一倍信号下降6分贝，这意味着无线电波可以传播很长距离。
• 但用户之间的干扰是个问题。

 

微波：

技术特点：

• 在100MHz以上的频段，电磁波几乎按直线传播，因此它们可以被聚集成窄窄的一束，通过抛物线形状的天线，就可以把能量集中于一小束，从而获得较高的信噪比，但要发射端和接收端的天线必须精准地对齐。
• 对于高度为100米的微波塔，两个中继器之间的距离可以为80千米。
• 微波不能很好地穿透建筑物。并且存在一些发散，被折射回来比直接波传得更远一些，与直接传输的微波信号相互抵消，造成多径衰落（multipath fading）现象。这与天气和频率有关，有些运营商会将10%的信道保持空闲来应对这个问题。。
• 4GHz左右的微波会被水吸收，唯一的解决方案是停止使用
• 微波最主要的优点是不需要铺设线缆的路权，任何人只要每50千米购买一小块地，在其上建造一个微波塔，就可以绕过电话系统进行通信了。相对来说，微波比较不那么昂贵

 

红外传输：

技术特点：

• 红外线的传播具有方向性、便宜并且易于制造

• 但它们不能穿过固体物体

 

光通信：

技术特点：

• 现代一点的应用是——将两个建筑物内的LAN通过安装在各自房顶上的激光连接起来。

• 激光的强度，体现在一个很窄的一束光，这也是其缺点：一个镜头就可以将其轻微散开，风和气温的变化会扭曲激光束的形状，激光束无法穿透雨水和大雾。

• 非引导性光学链路必须具备足够的容错工程设计。

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通信卫星：

发展历史：

20世纪50年代和60年代初期，人们尝试着利用金属化的气象气球对信号的反射作用来建立通信系统

• 不幸的是，接收到的信号强度太弱

后来，美国海军注意到空中存在一个永久性的气球——月球，他们通过月球对信号的反射作用建立了一个可实际运行的船—岸通信系统

直到第一课通信卫星发射上天，天体通信领域才有了进一步发展。人造卫星和真实卫星的关键区别在于：人造卫星把信号送回来之前先对它们进行了放大处理

通信卫星有许多令人感兴趣的特性：

• 它是天空中一个大型微波中继器。它包含几个转发器（tansponder），每个转发器侦听频谱中的一部分，对入境信号进行放大，然后在另一频率上重新广播出去，进出境信号不同，这种模式成为弯管（bent pipe）。
• 还可以在卫星上接收数字信息后再重新广播，这样比弯管性能更好，因为它没有将信号中的噪声放大。

 

通信卫星及它们的离地高度、来回延迟时间和覆盖地球所需的卫星个数

地球同步卫星：

发展历史：

1945年，科幻小说作家Arthui C. Clarke计算出，在赤道圆形轨道上方35800千米高度的卫星可保持在空中静止不动，所以这样的卫星不需要考虑跟踪问题。

• 它继续描述了完整的通信系统：轨道、太阳电池板、无线电频率以及发射程序。
• 不幸的是，它得出的结论是这样的卫星不切实际。因为它认为不可能在轨道中放上耗电的、易碎的真空管放大器
• 他写了一些有关这种卫星的科幻小说

晶体管的发明改变了这一切。1962年7月，人类发射了第一颗人造通信卫星（Telstar）。自那以后，通信卫星领域变成了一宗几十亿美元的买卖市场

这种高空中飞行的卫星通常被称为地球静止轨道卫星（GEO，Geostationary Earth Orbit）

为避免干扰，太空中同时最多只能放置360/2=180颗同步卫星

频率也是争抢的资源：

主要的卫星频段

传输特性：

• 一颗现代卫星大约有40个转发器，大多数转发器的带宽具有36MHz的带宽。
• 在农村地区有很大的应用潜力。世界上一般以上人口的居住地离最近的电话有1小时以上的行走距离。
• 端到端的传输延迟在250-300ms之间。地面微波传输延迟每千米3us，同轴电缆或光纤：每千米5us（电磁信号在空中比在固体材料中传播得快）。
• 是一种广播介质。
• 传输的成本与该消息所经过的距离无关。越洋通话服务并不比相邻街道之间的通话更贵。
• 卫星的错误率极低，几乎可以立即部署，因而成为紧急就在和军事通信中最主要的考虑因素。

 

中地球轨道卫星：

技术特性：

• 大约6小时绕地球一圈，因此卫星在空中移动时必须对它们进行跟踪。

• 目前这种卫星指用于导航系统，尚未用于通信领域。

• 在20200千米高空的轨道上有30颗全球定位系统（GPS，Global Positioning System），这是中地球轨道卫星的最大应用实例。

 

低地球轨道卫星：

技术特性：

• 由于它们的运动速度极快，一个完整的系统需要大量的低地球轨道卫星。
• 与地球距离近，发射功率低、发射成本低。往返延迟只有几个毫秒。

实际运用：铱星计划（Iridium project）

• 1990年，Motolola公司
• 2001年重新启用，提供语音、数据、寻呼、传真和导航服务

 

 

八、物理层协议：

定义与作用：

定义：物理层上的协议有时也称为接口。

作用：规定了与建立、维持及断开物理信号有关的特性——机械特性、电气特性、功能特性和规程特性：

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸

电气特性：指明接口电缆各条导线的电路特性

• 如电气连接方式、信号电平、最大传输速率和距离限制

功能特性：指明接口信号的来源、作用以及与其他信号的关系

• 接口信号线按功能一般可分为：数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线四类

规程特性：指明使用互换电路进行数据交换的控制步骤

• 即各条导线的控制规则和先后顺序

• 这些控制步骤的应用，使得比特流传输得以完成

这些特性确保了——

物理层通过物理信号的传输可以在相邻网络结点之间正确收发比特流信息。

比特流能送上物理通道并在另一端取下。

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相关设备：

数据终端设备（Data Terminal Equipment, DTE）：

具有数据处理能力和发送、接收数据能力的设备；如PC。

数据通信设备（Data Communication Equipment, DCE）：

在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接；如调制解调器。

 

DTE与DCE接口之间的导线的电气连接方式有三种：非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式。

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几个常用的物理层接口：

EIA RS-232C、EIA RS-449、CCITT X.21等。

 

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