『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

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
1. 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
2. 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
3. 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
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
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

computer network

#multiplexing #transmission medium #wide band

『computer network-1』physical layer

http://larry0454.github.io/2024/03/14/computer_network/physical-layer/

Author

WangLe

Posted on

March 14, 2024

Licensed under

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