计算机网络2-物理层

物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

• 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性（机械、电气、功能、过程）

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

源系统->传输系统->目的系统

常用术语

• 消息

• 数据

• 信号

• 码元:在使用时间域（简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

使用二进制编码时，只有两种不同的码元： 0 状态/1 状态。

有关信道的几个基本概念

• 单工通信：单向传输

• 半双工通信：双向交替传输

• 全双工通信：双向同时传输

• 基带信号：来自信道的信号，包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。

• 调制

• 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。把这种过程称为编码。

• 带通调制（把数字信号转换为模拟信号）：使用载波进行调制，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。经过载波调试后的信号称为带通信号。

脉冲编码调制（PCM） 是一种将模拟信号（如语音、音频）转换为数字信号的基本技术。

正交幅度调制QAM是一种典型的“带通调制”技术，用于将数字数据调制成模拟信号以便在特定频带的信道上传输。正交振幅调制，振幅相位混合调制方法，通过增加码元的种类达到更高的信息传输速率。

常用编码方式

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。

• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。在一个位周期结束前，电平会回到零。

• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

• 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，而位开始边界没有跳变代表 1。

基本的带通调制方式

• 调幅（AM）

• 调频（FM）

• 调相（PM）

信道的极限容量*

限制码元在信道上的传输速率的两个因素：

• 信道能够通过的频率范围。（信道带宽）

• 信噪比:就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位

奈氏准则：码元传输的最高速率：2W(码元/秒)（W:带宽）

信噪比（dB）=10log10(S/N)(dB)

极限信道传输速率C=W log2(1+S/N) (bit/s)（香农公式）

• W 信道的带宽 (Hz)；

• 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。

SNRdB=10×log10(SNR):信噪比为30dB,为1000

奈奎斯特准则 vs. 香农定理*

单位不一样（码元/秒 / bit/s）

物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

电磁波被导引沿着固体媒体（铜丝或光纤）传播。

• 双绞线：绞合度越高，可用的数据传输率越高。

• 无屏蔽双绞线UTP

• 屏蔽双绞线STP（带屏蔽层，有接地线）

• 同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

• 光缆

光纤是光纤通信的传输媒体，通过传递光脉冲来进行通信。其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

发送端要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲

接收端要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。

优点:

(1) 通信容量非常大

(2) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

(3) 抗雷电和电磁干扰性能好。

(4) 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。

(5) 体积小，重量轻。

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异常称为无线传输。

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，因此将自由空间称为“非导引型传输媒体”

无线传输所使用的频段很广： LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）

• 无线电微波通信：在空间中主要是直线传播

• 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，多条路径的信号叠加后一般会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

• 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给下一站

卫星作为中继器

• 主要特点：

• 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大

• 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。

• 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

• 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

• 有时会受到恶劣气候的影响。

• 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差

• 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。

• 传播时延较大

• 保密性相对较差，造价较高。

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

• 复用：允许用户使用一个共享信道进行通信

• 频分复用FDM：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。

• 时分复用TDM：将时间划分成一段段等长的时分复用帧，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。TDM信号也称为等时信号。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

• 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。

• 复用器和分用器

• 成对出现

• 时分复用会导致信道利用率不高，当用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。

• 统计时分复用（STDM）Statistic TDM：STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此可以提高线路的利用率。

波分复用

波分复用（WDM）(Wavelength Division Multiplexing)：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

码分复用CDM：每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。

码分多址CDMA：CDM信道为不同地址的用户所共享

工作原理：

• 分配独特的“码”：将每一个比特时间划分为m个短的间隙，称为码片。为每个站指派一个唯一的m bit的码片序列，

• 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

• 码片的特点

规格化内积就是两个向量对应位相乘后求和，再除以向量的长度

• 不同站的码片序列必须正交

• 任何一个码片向量和自己的规格化内积为1

• 一个码片向量和自己的反码向量的规格化内积为-1

• 发送端-用"码"对信号进行扩频：如要发送的信息的数据率=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。

• 接收端-用"码"对信号进行解扩：

将接收到的码与对应站的码逐位相乘就会得到对应站想传递的信号（1或0）

流程总结：

1. 发送数据 +1 -> 发送 +S -> 接收端计算 (S • S) / m = 1 -> 解码为 +1

2. 发送数据 -1 -> 发送 -S -> 接收端计算 (S • (-S)) / m = -1 -> 解码为 -1

3. 其他用户的信号 T -> 接收端计算 (S • T) / m = 0 -> 被忽略（视为噪音）

数字传输系统

早期，电话网长途干线采用频分复用FDM的模拟传输方式

目前，大都采用时分复用PCM的数字传输方式

在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体

早期数字传输系统的缺点：速率标准不统一，不是同步传输。

SONET/SDH

由于早期数字传输系统的不统一问题，后来规定了以下两个标准

同步光纤网SONET： 由美国国家标准协会制定，主要应用于北美和日本。

同步数字系列SDH： 由国际电信联盟电信标准化部门制定，主要应用于世界其他地区（包括中国、欧洲）。

它们本质上是同一套技术，只是在速率等级和少量细节上有所区别。SDH可以看作是SONET的国际标准版。

• 核心工作原理与特点

• 同步传输：整个网络由一个主时钟控制，所有设备严格同步于这个时钟

这使得来自不同支路的信号在时间上精确对齐，可以直接通过"时隙"进行访问和交叉连接，而无需像以前的准同步系统那样进行复杂的码速调整。

• 标准的速率等级：SONET/SDH定义了一套标准的、以为基础的速率等级，解决了设备互联的难题

SDH的基本模块是STM-1，速率为155.52 Mbps。SONET的基本模块是STS-1，速率为51.84 Mbps。因此，STM-1 = 3 × STS-1。

宽带接入技术

• 宽带：标准在不断提高

• 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调制技术。DMT调制技术采用FDM方法，相当于在一对用户线上使用很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：三大组成部分：数字用户接入复用器DSLAM，用户线和用户家中的一些设施

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

FTTx技术

代表多种宽带光纤接入方式。FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…）