计算机网络——2.物理层

二.物理层

1.物理层的主要任务

确定与传输媒体的接口的一些特性，解决在各种传输媒体上传输比特流的问题
1.机械特性：接口的形状尺寸大小。
2.电气特性：在接口电缆上的各条线的电压范围。
3.功能特性：在某一条线上出现的某个电平电压表示的意义。
4.过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
传输媒体主要可以分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体：
导引型传输媒体：信号沿着固体媒体(铜线或光纤，双绞线)进行传输，有线传输。
非导引型传输媒体：信号在自由空间传输，常为无线传输。

2.数据通信的基本知识

数据通信系统：包括源系统(发送方)，传输系统(传输网络)，目的系统(接收方)。
一般来说源系统发出的信号(数字比特流)不适合直接在传输系统上直接传输，需要转化(模拟信号)。
调制：数字比特流-模拟信号
解调：模拟信号-数字比特流

3.常用术语

数据——运送消息的实体。
信号——数据的电气化或电磁化的表现。
模拟信号——代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号——代表消息的参数的取值是离散的。
码元——在使用时间域代表不同离散值的基本波形。

4.信道

信道：表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信(单工通信)：只有一个方向的通信，不能反方向。
双向交替通信(半双工通信)：能两个方向通信，但是不能同时。
双向同时通信(全双工通信)：能同时在两个方向进行通信。
基带信号：来自信源的信号(源系统发送的比特流)。

5.调制

基带调制：对基带信号的波形进行变换，使之适应信道。调制后的信号仍是基带信号。基带调制的过程叫做编码。
带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率调高，并转换为模拟信号。调制后的信号是带通信号。

6.编码方式

1.归零制：两个相邻信号中间信号记录电流要恢复到零电平。正脉冲表示1，负脉冲表示0。在归零制中，相邻两个信号之间这段磁层未被磁化，因此在写入信息之前必须去磁。
2.不归零制：正电平代表1，负电平代表0，不用恢复到零电平。难以分辨开始和结束，连续记录0或者1时必须要有时钟同步，容易出现直流分量出错。
3.曼彻斯特编码：在每一位中间都有一个跳变。低->高表示0，高->低表示1。
4.差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1。位中间的跳变代表时钟，位前跳变代表数据。

7.二元制调制方法：

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

8.信道的极限容量：

失真：发送方的数据和接收方的数据并不完全一样。
限制码元在信道上的传输速率的因素：信道能够通过的频率范围；信噪比。

9.奈氏准则：

码间串扰：由于系统特性，导致前后码元的波形畸变。
理想低通信号的最高码元传输速率为2W，单位是波特，W是理想低通信道的带宽，理想带通特性信道的最高码元传输速率为W。
信噪比：信号的平均功率与噪声的平均功率的比值，单位是dB，值=10log10(S/N)。
信噪比对信道的极限信息传输速率的影响：速率C=Wlog2(1+S/N)——香农公式，单位为bit/s。
信噪比越大，极限传输速率越高。实际速率比极限速率低不少。还可以用编码的方式来提高速率(让一个码元携带更多的比特量)。

10.信道复用技术

所谓复用就是一种将若干个彼此独立的信号合并成一个可以在同一信道上同时传输的复合信号的方法。
比如，传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在同一信道（相当于共享信道，能够降低成本，提高利用率）上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来（分用）。
信道复用技术就是将一个物理信道按照一定的机制划分多个互不干扰互不影响的逻辑信道。信道复用技术可分为以下几种：频分复用，时分复用和统计时分复用，波分复用，码分复用。

信道复用技术

上面两种不同的方式可以用“快递”来理解，比如上海到杭州的快递业务，a方式就是每一个快递就用一辆车进行运输派送，而b方式是将发往杭州的快递全部集中起来先一起运输到杭州城区（复用），然后再进行分类比如西湖区的有哪些，余杭区的有哪些，快递员再分别进行派送（分用），这样可以大大提高运输效率（这也是我们日常中的快递方式），但是b方式也有缺点就是容易出错，A1信号可能回不小心传送到B2上，因此在使用b方式就要尽量降低错误率，保证高效且无误。

1.频分复用技术FDM（也叫做频分多路复用技术）：条件是传送的信号的带宽是有限的，而信道的带宽要远远大于信号的带宽，然后采用不同频率进行调制的方法，是各个信号在信道上错开。频分复用的各路信号是在时间上重叠而在频谱上不重叠的信号。将整个带宽分为多份，用户分配一定的带宽后通信过程自始至终都占用这个频带。另外，为保证各个子信道传输不受干扰，可以设立隔离带。
2.时分复用技术TDM：采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号。也就是在信道带宽上划分出几个子信道后，A用户在某一段时间使用子信道1，用完之后将子信道1释放让给用户B使用，以此类推。将整个信道传输时间划分成若干个时间片（时隙），这些时间片叫做时分复用帧。每一个时分用户在每一个TDM帧中占用固定时序的时隙。

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如上图，每个用户（例如A）所占的时隙是周期性出现的，周期就是TDM帧的长度。
时分复用技术的好处就是在接收端分用时非常方便，比如只需要在每一个时分复用帧的第一个时隙取数据，取到的一定是用户A发送的数据。

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如上图，在第一个时分复用帧中，只有AB用户有数据发送，CD用户的时隙都处于空闲状态，这样就造成了资源的浪费。一共16个时隙，只用到了其中的7个，利用率一半都没到。
3.统计时分复用技术STDM（也叫做异步时分复用技术）：统计时分复用技术就是在时分复用技术的基础上，将每一个时分复用帧中的空闲位置给利用起来，比如上图中在第二个时分复用帧中的B和C用户发送的信息b，c可以放到第一个时分复用帧中原本是C和D用户的空闲时隙来发送。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此这种方法的线路利用率比时分复用技术高

统计时分复用技术

如上图，在每个STDM帧中的第一个时隙，分别用来给A用户，B用户，C用户，A用户来使用，并不是固定不变的。每个STDM帧中的第二个时隙，分别用来给B用户，C用户，D用户，空闲来使用。利用率为7/8=87.5%，比时分复用技术高的多。但是，采用统计时分复用技术，在接收端分用时会比较麻烦。因此，在每一个STDM帧中每个时隙前面都有一部分空白段，可以用来存放地址信息，方便接收端接收。

4.波分复用技术WDM：将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经过复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输，在接收端经过分波器将各种波长的光载波分离进行恢复。整个过程类似于频分复用技术的共享信道。波分复用其实就是光的频分复用。

波分复用技术

5.码分复用技术CDM：常用的就是码分多址（CDMA）。利用不同的码片（地址码）来区分的地址。每一个用户配有不同的地址码，用户发送的载波既受数字信号的调试，又受地址码的调试。例如A用户发出一个信号a，a都能够被x，y，z三台接收机接收，但是如果只有x这台接收机知道信号a的地址码，那么只有它可以将信号a给解调出来，真正接收到信号a的数据。因此这种方式不要容易被干扰。

11.码片序列

1.比特时间，码片
1比特时间就是发送1比特需要的时间，如数据率是10Mb/s，则100比特时间就等于10微秒。
每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。每个站被指派一个唯一的m bit 的码片序列（例如S站的8 bit 码片序列是00011011）。
如果发送比特1，则发送自己的m bit 码片序列。如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。
S站的码片序列：（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）-1代表0，+1代表1
用户发送的信号先受基带数字信号的调试，又受地址码的调试。就比如数据发送后受到基带数字信号的调试之后变为10，然后又受到地址码的调试后1就变为了00011011（上面的S站码片序列），0就变成了11100100。
由于每个比特要转换成m个比特的码片序列，因此原本S站的数据率b bit/s要提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原本数值的m倍。这种方式是扩频通信中的一种。
扩频通信通常有两大类：直接序列扩频DSSS（上述方式）；跳频扩频FHSS。
2.码分多址（CDMA）
CDMA的重要特点：每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交。在实用系统中使用的是伪随机码序列。
码片的互相正交的关系：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的规格化内积等于0。

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即ST=（S1T1+S2T2+......SmTm）/m（其实就相当于两个向量垂直，/m对结果其实也没多大关系）
推论：1.一个码片向量和另一码片反码的向量的规格化内积值为0（如果ST=0,那么ST'也=0）
2.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，即SS=1
3.一个码片向量和该码片向量的规格化内积值是-1，即SS'=-1
CDMA的工作原理：
用一个列子来说明，假设S站的码片序列为（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1），S站的扩频信号为Sx，即若数据比特=1那么S站发送的是码片序列本身Sx=S，若数据比特=0那么S站发送的是码片序列的反码Sx=S’。T站的码片序列为（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1），T站的扩频信号为Tx。因为所有的站都使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。所有的站收到的都是叠加的信号Sx+Tx。
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，即S（Sx+Tx）=SSx+STx。前者等于+1或0，后者一定等于0，具体看下面（参考上面的CDMA的工作原理）：
当数据比特=1时，Sx=S，那么SSx=SS=1；同理 ，当数据比特=0时，Sx=S’，那么SSx=SS’=0
当数据比特=1时，Tx=S，那么STx=ST=0（参考上面码片序列的正交关系）；同理 ，当数据比特=0时，Sx=S’，那么STx=S*T’=0

CDMA的工作原理