物理层下面的传输媒体——笔记

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。

        导引型传输媒体：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：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

电信领域使用的电磁波的频谱：

导引型传输媒体

（1）双绞线

·最古老但又最常用的传输媒体。

·把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合 (twist) 起来就构成了双绞线。 绞合度越高，可用的数据传输率越高。

·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。

·两大类：

        无屏蔽双绞线 UTP。 (Unshielded Twisted Pair) 

        屏蔽双绞线 STP。(Shielded Twisted Pair)

                  ·带金属屏蔽层

x/UTP：对整条双绞线电缆进行屏蔽。

        ·F/UTP (F=Foiled)：表明采用铝箔屏蔽层。

        ·S/UTP (S=braid Screen)：表明采用金属编织层进行屏蔽。

        ·SF/UTP：表明在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层的屏蔽。

        ·FTP 或 U/FTP：把电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层。

        ·U表明对整条电缆不另增加屏蔽层

        ·F/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上铝箔屏蔽层。

        ·S/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上金属编织层的屏蔽。

F/UTP

  F/UTP                U/FTP                  F/FTP 

在抗干扰能力上，U/FTP 比 F/UTP 好，而 F/FTP 则是最好的。

双绞线标准：

·1991年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发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）。

常用的绞合线的类别、带宽和典型应用：

绞合线类别	带宽	线缆特点	典型应用
3	16 MHz	2对4芯双绞线	模拟电话；曾用于传统以太网（10 Mbit/s）
4	20 MHz	4对8芯双绞线	曾用于令牌局域网
5	100 MHz	与4类相比增加了绞合度	传输速率不超过100 Mbit/s的应用
5E（超5类）	125 MHz	与5类相比衰减更小	传输速率不超过1 Gbit/s的应用
6	250 MHz	与5类相比改善了串扰等性能	传输速率高于1 Gbit/s的应用
7	600 MHz	使用屏蔽双绞线	传输速率高于10 Gbit/s的应用

        无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。

        双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

（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。

·50 欧 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用

·75 欧 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

·由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。

同轴电缆的结构

（3）光缆

·光纤是光纤通信的传输媒体。现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中。

·光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

·由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 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。

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。

光缆：

·必须将光纤做成很结实的光缆。 数十至数百根光纤， 加强芯和填充物， 必要时还可放入远供电源线， 最后加上包带层和外护套。

·使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。

 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。

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：

        · 地面微波接力通信

        ·卫星通信  

无线传输所使用的频段很广：

        LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）

无线电微波通信

·占有特殊重要的地位。

·微波频率范围：

        ·300 MHz~300 GHz（波长1 m ~ 1 mm）。

        ·主要使用：2 ~ 40 GHz。

·在空间主要是直线传播。

        ·地球表面：传播距离受到限制，一般只有 50 km左右。

        ·100 m 高的天线塔：传播距离可增大到 100 km。

多径效应

基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

    

误码率（即比特错误率）不能大于可容许的范围

·对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。

·对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。

·如果用户在进行通信时不断改变自己的地理位置，就会引起无线信道特性的改变，因而信噪比和误码率都会发生变化。

微波接力

·远距离微波通信

·微波接力：中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。

100 m 高的天线塔可使传播距离增大到 100 公里 同步地球卫星通信覆盖区的跨度达 18000 多公里

主要特点：

(1) 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。 (2) 工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高。 (3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于实施。

主要缺点：

(1) 相邻站之间必须直视（常称为视距 LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物，存在多径效应。 (2) 有时会受到恶劣气候的影响。 (3) 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。 (4) 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

卫星通信

·通信容量大，通信距离远，通信比较稳定，通信费用与通信距离无关。

·但传播时延较大：在 250~300 ms之间。

·保密性相对较差。造价较高。

 无线局域网使用的 ISM 频段

·无线局域网：使用无线信道的计算机局域网。

·无线电频段：通常必须得到无线电频谱管理机构的许可证。

·ISM 频段：可以自由使用。

信道复用技术

复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。

频分复用 FDM

(Frequency Division Multiplexing)

·最基本。

·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）。

频分复用

时分复用TDM

(Time Division Multiplexing)

·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)  

波分复用 WDM

(Wavelength Division Multiplexing) 

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用 CDM

(Code Division Multiplexing) 

·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。（相同的频率）

·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。

CDMA 工作原理：

将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。 为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。

         ·发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列。

         ·发送比特 0：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。

         1 -> 00011011

        0 ->  11100100

        码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

CDMA 工作原理

CDMA 的重要特点：

·每个站分配的码片序列：各不相同，且必须互相正交 (orthogonal)。

·正交：向量 S 和 T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：

 ·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。

码片序列实现了扩频:

·要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。

·扩频通常有 2 大类：

        直接序列扩频 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 。

        跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

频分多址与时分多址

·可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。

·可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。

宽带接入技术

·美国联邦通信委员会 FCC 定义：宽带下行速率达 25 Mbit/s，宽带上行速率达 3 Mbit/s。

·从宽带接入的媒体来看，划分为 2 大类：

         ·有线宽带接入

        ·无线宽带接入

ADSL 技术

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

ADSL 技术把 0~4 kHz 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。

ADSL 的 ITU 的标准：G.992.1（或称 G.dmt）。

非对称：下行（从 ISP 到用户）带宽远大于上行（从用户到 ISP）带宽。

ADSL 调制解调器

采用离散多音调 DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。

DMT 调制技术采用频分复用 FDM 方法。

相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。 ADSL 不能保证固定的数据率。

ADSL 的组成

3 大组成部分： 数字用户线接入复用器 DSLAM（DSL Access Multiplexer），用户线和用户家中的一些设施。

第二代 ADSL

包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）。

主要改进：

(1) 通过提高调制效率得到了更高的数据率。 (2) 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)。 (3) 改善了线路质量评测和故障定位功能。

xDSL

·SDSL (Symmetric DSL)：对称数字用户线

·HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线

·VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线

·Giga DSL：超高速数字用户线

        华为公司于 2012 年首先研制成功样机。

         使用时分双工 TDD (Time Division Duplex)和 OFDM 技术。

光纤同轴混合网（HFC 网）

·HFC (Hybrid Fiber Coax) 网基于有线电视网 CATV 网。

·改造：把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。

·HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带。

机顶盒与电缆调制解调器（set-top box）

机顶盒（set-top box）：

        连接在同轴电缆和用户的电视机之间。

        使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号。

电缆调制解调器（cable modem）：

        将用户计算机接入互联网。

        在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息。

        不需要成对使用，而只需安装在用户端。

        复杂，必须解决共享信道中可能出现的冲突问题。

FTTx 技术

代表多种宽带光纤接入方式。

FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如： 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：

        在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。

        光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building) 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)

        光纤到小区 FTTZ (Fiber To The Zone)

        光纤到办公室 FTTO (Fiber To The Office)

        光纤到桌面 FTTD (Fiber To The Desk) 等。

光配线网 ODN (Optical Distribution Network)

光配线网 ODN (Optical Distribution Network)：位于光纤干线和广大用户之间。 无源的光配线网常称为无源光网络 PON (Passive Optical Network)。

·采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长。

·2 种最流行的无源光网络 PON (Passive Optical Network)：

         ·以太网无源光网络 EPON (Ethernet PON) 在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入。 与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。

        · 吉比特无源光网络 GPON (Gigabit PON) 采用通用封装方法 GEM (Generic Encapsulation Method)，可承载多业务，且对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性能比EPON好。 成本稍高。

本文仅为个人学习参考笔记，欢迎一起学习~