计算机网络知识点总结之物理层（二）

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2.3、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤)传播。
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

下图是电信领域使用的电磁波的频谱：

2.3.1、导引型传输媒体

2.3.1.1、双绞线

• 最常用的传输媒体。
• 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
• 屏蔽双绞线STP (Shielded Twisted Pair)
  带金属屏蔽层
• 无屏蔽双绞线UTP (Unshielded Twisted Pair)

双绞线标准：

• 1991年，美国电子工业协会EIA 和电信行业协公联合及.布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的
  标准EIA/TIA-568。
• 1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A 。
• 此标准规定了5个种类的UTP标准(从1类线到5类线)。
• 对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线( Category 5或CAT5 ) 。

2.3.1.2、同轴电缆

• 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
• 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
• 50Ω同轴电缆——LAN/数字传输常用
• 75Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输常用

2.3.1.3、光缆

• 光纤是光纤通信的传输媒体。
• 由于可见光的频率非常高，约为10⁸MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
• 光线在光纤中的折射：
  
  当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。
• 光纤的工作原理
  
  只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。
• 多模光纤与单模光纤
  1、多模光纤
  可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
  2、单模光纤
  若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
  
• 光纤通信中使用的光波的波段
  常用的三个波段的中心分别位于850 nm, 1300 nm 和1550 nm。
  所有这三个波段都具有25000~30000 GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。
• 光纤优点
  （1）通信容量非常大。
  （2）传输损耗小，中继距离长。
  （3）抗雷电和电磁干扰性能好。
  （4）无串音干扰，保密性好。
  （5）体积小，重量轻。

2.3.2、非导引型传输媒体

• 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
• 无线传输所使用的频段很广。
• 短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
• 微波在空间主要是直线传播。
• 传统微波通信有两种方式:
  (1)地面微波接力通信
  (2)卫星通信
• 无线局域网使用的ISM频段
  要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如:ISM。各国的ISM标准有可能略有差别·
  

2.4、信道复用技术

2.4.1、频分复用、时分复用和统计时分复用

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

2.4.1.1、频分复用

• 将整个带宽分为多份，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)。
  

2.4.1.2、时分复用

• 时分复用则是将时间划分为一段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(isochronous)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。
  
• 统计时分复用 STDM(Statistic TDM)
  

2.4.2、波分复用 WDM

2.4.3、码分复用 CDM

• 常用的名词是码分多址 CDMA
  (Code Division Multiple Access) .
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 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。

（1）码片序列

• 每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。
• 每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列。如发送比特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。
• S站的码片序列:(-1-1-1+1+1-1+1+1)

(2)码片序列实现了扩频

• 假定S站要发送信息的数据率为b bit/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 bit/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(spread spectrum)通信中的一种。
• 扩频通信通常有两大类:
  1.一种是直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) ,如上面讲的使用码片序列就是这一类。
  2.另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

(3)CDMA的重要特点

• 每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（orthogonal)。
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

(4)码片序列的正交关系

• 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(inner product)等于0 :
  

(5)正交关系的另一个重要特性

• 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。
  
• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

(6)CDMA的工作原理