『computer network-1』physical layer
物理层
一、物理层的基本概念
- 物理层的主要任务:在传输介质上传输比特流
- 物理层的四个特性:
- 机械特性:接口所用的接线器的形状or尺寸,引线数目和排列,固定和锁定装置等
- 电气特性:在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
- 功能特性:某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
- 过程特性:对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
二、数据通信的基础知识
信道:向某一方向传送信息的介质
消息:通信的目的是传送消息,如话音、文字、图像等;消息的实体是数据
信号:数据的电气or电磁表现,分为模拟信号和数字信号两大类
模拟信号:连续信号,代表消息的参数取值是连续的
数字信号:离散信号,代表消息的参数取值是离散的
码元:在时域波形数字信号中,代表不同离散数值的基本波形为码元
- 码元速率:单位时间内通过信道的码元个数,单位为波特(baud)
- 数据速率:单位时间内通过信道的信息量(比特数),单位为(b/s)
注意:对于同一信道,使用二进制编码(仅有两种状态) \(\Leftrightarrow\) 码元速率 = 数据速率
我们希望提高一个码元的比特数,以提高数据速率;但一个码元的比特数越多,解码难度与抗干扰难度就越大通信双方的交互方式
单向通信(单工通信):只能向一个方向通信且没有反方向的交互(如广播)
双向交替通信(半双工通信):通信双方都可以发送消息,但不能双方同时发送or接收
双向同时通信(全双工通信):通信双方可以同时发送or接收消息
注意:单工通信仅需要一条信道,双工通信都需要两条信道
数据通信系统模型:
基带信号与带通信号
- 基带信号:来自信源的信号,其往往含有较多低频成分(甚至有直流成分),必须对基带信号进行调制,才能使其在信道上传输
- 带通信号(仅在一段频率范围内可通过信道):基带信号经过载波调制后,信号频率范围搬移到较高的频段,以便在信道中传输
调制方法:主要分为以下两类
基带调制:数字信号 编码成 另一种数字信号,变换后的信号仍是基带信号
不归零制:正电平 \(\Rightarrow\) 1,负电平 \(\Rightarrow\) 0;没有自同步能力
归零制:位中心正脉冲 \(\Rightarrow\) 1,位中心负脉冲 \(\Rightarrow\) 0
曼彻斯特编码:位中心上跳 \(\Rightarrow\) 1,位中心下跳 \(\Rightarrow\) 0;具有自同步能力,比不归零制的频率高
差分曼彻斯特编码:位开始边界跳变 \(\Rightarrow\) 1,位开始边界不跳变 \(\Rightarrow\) 0;每个位中心都会跳变
带通调制:使用载波进行调制,将基带信号搬运到较高频段 + 转换为模拟信号
调幅:载波的振幅随基带数字信号而变化
调频:载波的频率随基带数字信号而变化
调相:载波的初始相位随基带数字信号而变化
多元制的混合调制方法:可获得更高的传输速率,如正交振幅调制(振幅与相位相结合)
信道极限容量:
信号失真问题:任何实际信道都是不理想的;码元传输速率越高 or 信号传输距离越远 \(\Rightarrow\) 输出端波形失真越严重
信道能够通过的频率范围:具体信道所能通过的频率范围是有限的,高频分量往往不能通过信道,不然会导致“码间串扰”
奈奎斯特定理:理想低通信道最大数据传输率 = \(2\text{H}\log_2 \text{V}\) (bps),H是信道带宽(Hz)、V是信号状态数
注意:信道频带越宽,高频分量就越多,传输速率就可以越高(而不出现码间串扰)\(\text{bit rate}\) = \(\text{2H} \log_2 \text{V}\),其中H是带宽(Hz, Nyquist准则),V是表示状态数(码元种类数,如4个状态需要2位编码)
信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比,计算式 = \(10 \log_{10} (\dfrac{\text{S}}{\text{N}})\) (dB),描述信号与噪声的相对强度
香农公式:信道极限信息传输速率 \(\text{C} = \text{W} \log_2 (1 + \dfrac{\text{S}}{\text{N}})\) (bps),W是信道带宽(Hz)、\(\dfrac{\text{S}}{\text{N}}\) 是信噪比
香农公式意义:只要信号传输速率低于信道极限传输速率,就一定存在某种方法实现无差错传输
三、物理层下面的传输介质
传输介质:数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路
导引型传输介质:电磁波被导引沿着固体媒体传播
双绞线:将两根绝缘铜线绞合,减少互相干扰
- 特点:价格便宜,传输距离短,在网络时代前广泛应用于电话系统
注意:当传输速率增高时,可以使用屏蔽双绞线
同轴电缆:内导体铜质芯线外包裹网状编织的屏蔽层
- 特点:抗干扰能力和传输速率均高于双绞线,但造价较高
光纤:由非常透明的石英玻璃拉成细丝,由纤芯和包层构成双层通信圆柱体,广泛用于长途干线传输,高宽带且可靠的网络连接
- 优点:通信容量大、传输损耗小、抗干扰能力强、保密性好、体积小,重量轻
- 缺点:安装较为复杂,需依靠光电转换
非导引型传输介质:指可以传播无线电波的自由空间,适用于偏远地区通信、城市中敷设电缆困难的场所、移动设备 等
- 短波通信:通过电离层反射、传输距离长、通信质量较差、传输速率低(电离层不稳定)
- 微波通信与卫星通信:频率大于100MHz的电波几乎按直线传播,信噪比极高
- 地面微波通信:每隔一定距离建立中继站,接力转发("微波接力")
- 优点:信道频段范围宽、通信容量大;抗干扰能力强,成本低且建设速度快
- 缺点:相邻站需直视(无障碍)、易受地理或建筑物影响;易受气候影响;隐蔽性和保护性差
- 卫星通信:通过卫星进行微波信号转发
- 特点:通信距离远、覆盖范围广、通信容量大;但传播时延较大
- 低轨道卫星:造价与发射成本较低、传输距离较短,时延相对较小(可与地面手持设备通信),发展较快
- 红外通信和激光通信:易受天气和可见光影响,通常用于近距离或室内通信
- 地面微波通信:每隔一定距离建立中继站,接力转发("微波接力")
四、信道复用技术
频分复用与时分复用:在一个信道上传输多路信号,通过成对的复用器和分用器实现
频分复用(FDM):不同用户占用不同频带资源,每路信号以不同载波频率进行调制
时分复用(TDM):将时间划分成一段段等长的时隙,所有用户在不同时间占用相同的频带宽度;接收端采用同步技术
注意:TDM的轮转时隙数量 = 用户总数,这种固定的分配方式会造成资源的浪费统计时分复用(STDM):为每个用户动态按需分配时隙,可显著提高信道利用率
- 每个用户独立往发送缓存队列中填入数据
- 发送器扫描缓存队列:若当前缓存块中有数据,就将其填入STDM帧中;一个STDM帧满了,就把该帧发送出去
注意:相较于普通的TDM,STDM的时隙不是固定分配给每个用户的;一个STDM帧长度 < 用户数量
波分复用(WDM):即光的频分复用,一根光纤上传输两路光载波信号 密集波分复用(DWDM):在一根光纤上复用更多路光载波信号
码分复用(CDM):又被称为码分多址(CDMA),各发送端使用相互正交的地址码调制发送信号
每个比特被分为m个更短的间隔,每个间隔(1or -1)被称为码片(直接序列扩频)
注意:实际发送数据率提高到 mb bit/s,所占用频带宽度实际提高 m 倍每个站被分配一个唯一的m比特的码片序列,各站的码片序列必须相互正交,且相同码片规格化内积为1
接收方T持有发送方的码片序列S,发送方发送的扩频信号为 \(\text{S}_x\) 则接收方收到的扩频信号 = \(\text{S} \cdot (\text{S}_x + \text{other signals})\) = \(\text{S} \cdot \text{S}_x\) + 0 = +1(发送了1) or -1(发送了0)
注意:利用CDMA,网络中各用户可以使用同一载波,占用相同带宽、各用户可以同时发送or接收信号
五、数字传输系统
早期数字传输的缺点 与 解决方案:
缺点:速率标准不统一(国际范围的高速数据传输难以实现);非同步传输(收发双方时钟同步问题)
解决方案:SONET + SDH,用于高速干线传输(特别是光纤传输)
- SONET(同步光纤网):同步网络中的各级时钟来自一个非常精确的主时钟;定义了同步传输的线路速率等级结构
- 第1级同步传送信号(STS-1):SONET传输速率以STS-1为基础(51.840Mbit/s),对应了电信号
- 第1级光载波(OC-1):速率与STS-1相同,对应了光信号
- SDH(同步数字系列):一般认为与SONET同义
- 第1级同步传递模块(STM-1):SDH传输速率以STM-1为基础(155.520Mbit/s),相当于SONET中的OC-3
注意:STS-n = OC-n,且 STS-n 速率为 STS-1 的 n 倍
- SONET(同步光纤网):同步网络中的各级时钟来自一个非常精确的主时钟;定义了同步传输的线路速率等级结构
脉码调制系统(PCM):用于电话交换系统,实现话音由模拟到数字信号的变换;数字化的话音数据进行时分多路复用
注意:数字通信在传输质量 + 经济上都明显优于模拟通信
六、宽带接入技术
ADSL技术:即非对称数字用户线
ADSL特点:
仍使用现有电话线,无需对原先庞大的电话布线系统进行改造
将 0 ~ 4kHz 低频频谱留给传统电话,把高端频谱 40kHz ~ 1100kHz 用作网络接入
带宽非对称,即上行(用户 \(\rightarrow\) ISP)带宽 远小于 下行带宽(ISP \(\rightarrow\) 用户)
注意:数据率越高,ADSL传输距离越短;用户线径越细,ADSL传输距离越短
DMT调制技术:频分复用,将40kHz ~ 1.1MHz的高端频谱划分为多个子信道,每个子信道约4kHz宽
- 25个子信道用于上行信道,并使用不同的载波进行数字调制
- 249个子信道用于下行信道,并使用不同的载波进行数字调制
- 用户线彼此差异很大,ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率
注意:ADSL定义的传输速率是可能达到的最高传输速率,实际传输速率与用户线路的质量和距离相关
优点:可承载宽带业务、成本低、易于实现
缺点:带宽和质量差异性较大
HFC技术:即光纤混合同轴网,在有线电视网CATV的基础上开发,能够提供电话、数据和其它宽带交互型业务
- 改进:以CATV为基础的宽带接入技术
- 单项广播式传输 \(\Rightarrow\) 具有双向传输功能,且扩展了传输频带
- 传输电视信号 \(\Rightarrow\) 可以传输电视、话音、数据等
- 以同轴电缆为主 \(\Rightarrow\) 改用光纤 + 同轴电缆
- 特点:
- 同轴电缆主干线路采用光纤
- 采用结点体系结构
- 具有比CATV网更宽的频谱,具有双向传递功能
- 优点:频带很宽,并能利用已有的相当大的覆盖面的有线电视网
- 缺点:要将现有的450MHz单向传输有线电视网 改造为 750MHz双向传输HFC网 需要相当的资源和时间
- 改进:以CATV为基础的宽带接入技术
FTTx技术:基于光纤的宽带接入(Fiber To The ...)
FFTH:光纤到户,无源光网络(PON)采用了光纤到户技术(光纤配线网中无需供电、上下行使用波分复用)
FFTB:光纤到大楼
FFTC:光纤到路边
优点:可提供最好的带宽和质量
缺点:现阶段线路工程成本太大