「計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)」物理層

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物理層的基本概念

物理層的作用：盡可能屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異
物理層規(guī)程：用于物理層的協(xié)議
主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性
1. 機(jī)械特性
2. 電器特性
3. 功能特性
4. 過(guò)程特性

數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

劃分為三大部分
1. 源系統(tǒng)（發(fā)送端、發(fā)送方）
  1. 源點(diǎn)（源站或信源）：源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)
  2. 發(fā)送器：調(diào)制器
2. 傳輸系統(tǒng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)）
3. 目的系統(tǒng)（接收端、接收方）
  1. 接收器：解調(diào)器
  2. 終點(diǎn)（目的站或信宿）
常用術(shù)語(yǔ)
1. 消息：語(yǔ)音、文字、圖像、視頻等
2. 數(shù)據(jù)：運(yùn)送消息的實(shí)體，通常是有意義的符號(hào)序列
3. 信號(hào)：數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)
  1. 模擬信號(hào)（連續(xù)信號(hào)）：代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的
  2. 數(shù)字信號(hào)（離散信號(hào)）：代表消息的參數(shù)的取值是離散的
4. 碼元：在使用時(shí)間域（簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形

有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念

信道：一般用來(lái)表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體
單向通信（單工通信）：只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互
雙向交替通信（半雙工通信）：通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（接收）
雙向同時(shí)通信（全雙工通信）：通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息
基帶信號(hào)（基本頻帶信號(hào)）
1. 來(lái)自信源的信號(hào)
2. 包含較多的低頻分量，甚至有直流分量
調(diào)制
1. 基帶調(diào)制：僅對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種形式的數(shù)字信號(hào)。把這種過(guò)程稱(chēng)為編碼
2. 帶通調(diào)制：使用載波進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后的信號(hào)稱(chēng)為帶通信號(hào)（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過(guò)信道）
常用編碼方式
1. 不歸零制：正電平代表 1，負(fù)電平代表 0
2. 歸零制：正脈沖代表 1，負(fù)脈沖代表 0
3. 曼徹斯特編碼：位周期中心的向上跳變代表 0，位周期中心的向下跳變代表 1。但也可反過(guò)來(lái)定義
4. 差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開(kāi)始邊界有跳變代表 0，而位開(kāi)始邊界沒(méi)有跳變代表 1
基本的帶通調(diào)制方式
1. 調(diào)幅（AM）
2. 調(diào)頻（FM）
3. 調(diào)相（PM）

信道的極限容量

信道能夠通過(guò)的頻率范圍
1. 奈氏準(zhǔn)則：碼元傳輸?shù)淖罡咚俾?= 2W （碼元/秒）
信噪比
1. 信噪比就是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記為 S/N，并用分貝 (dB) 作為度量單位。即：
  1. 信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
2. 香農(nóng)公式
  1. 信道的極限信息傳輸速率 C ?可表達(dá)為：C = W log2(1+S/N)? (bit/s)
    1. W 信道的帶寬 (Hz)
    2. S? 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率
    3. N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率

物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路

導(dǎo)引型傳輸媒體

電磁波被導(dǎo)引沿著固體媒體（銅線(xiàn)或光纖）傳播

雙絞線(xiàn)
1. 絞合度越高，可用的數(shù)據(jù)傳輸率越高
2. 分類(lèi)
  1. 無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)UTP
  2. 屏蔽雙絞線(xiàn)STP
    - 必須有接地線(xiàn)
同軸電纜
1. 具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)
光纜
1. 發(fā)送端：要有光源，在電脈沖的作用下能產(chǎn)生出光脈沖
  1. 光源：發(fā)光二極管，半導(dǎo)體激光器等。
2. 接收端：要有光檢測(cè)器，利用光電二極管做成，在檢測(cè)到光脈沖時(shí)還原出電脈沖

非導(dǎo)引型傳輸媒體

指自由空間。非導(dǎo)引型傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)傳輸

無(wú)線(xiàn)電信微波通信
1. 占有特殊的重要地位
2. 微波再空間中主要是直線(xiàn)傳播
多徑效應(yīng)：基站發(fā)出的信號(hào)可以經(jīng)過(guò)多個(gè)障礙物的數(shù)次反射，從多條路徑、按不同時(shí)間等到達(dá)接收方。多條路徑的信號(hào)疊加后一般都會(huì)產(chǎn)生很大的失真
微波接力：中繼站把前一站送來(lái)的信號(hào)放大后再發(fā)送到下一站。

信道復(fù)用技術(shù)

頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

復(fù)用：允許用戶(hù)使用一個(gè)共享信道進(jìn)行通信

頻分復(fù)用FDM
1. 將整個(gè)帶寬分為多份，用戶(hù)在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶
2. 所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬（即頻帶）資源
時(shí)分復(fù)用TDM
1. 將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）
2. 每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙
3. 每一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度）
4. TDM 信號(hào)也稱(chēng)為等時(shí)信號(hào)
5. 所有用戶(hù)在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度
6. 時(shí)分復(fù)用會(huì)導(dǎo)致信道利用率不高
頻分多址和時(shí)分多址
1. 可讓 N 個(gè)用戶(hù)各使用一個(gè)頻帶，或讓更多的用戶(hù)輪流使用這 N 個(gè)頻帶。這種方式稱(chēng)為頻分多址接入 FDMA，簡(jiǎn)稱(chēng)為頻分多址
2. 可讓 N 個(gè)用戶(hù)各使用一個(gè)時(shí)隙，或讓更多的用戶(hù)輪流使用這 N 個(gè)時(shí)隙。這種方式稱(chēng)為時(shí)分多址接入 TDMA ，簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)分多址
復(fù)用器和分用器
1. 成對(duì)使用
統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM
1. STDM 幀不是固定分配時(shí)隙，而是按需動(dòng)態(tài)地分配時(shí)隙，因此可以提高線(xiàn)路的利用率。

波分復(fù)用

波分復(fù)用WDM
1. 光的頻分復(fù)用。使用一根光纖來(lái)同時(shí)傳輸多個(gè)光載波信號(hào)
2. 在一根光線(xiàn)上復(fù)用兩路光載波信號(hào)
密集波分復(fù)用DWDM
1. 在一根光線(xiàn)上復(fù)用更多的光載波信號(hào)

碼分復(fù)用

碼分復(fù)用
1. 每一個(gè)用戶(hù)可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信
2. 各用戶(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此不會(huì)造成干擾
3. 當(dāng)碼分復(fù)用 CDM 信道為多個(gè)不同地址的用戶(hù)所共享時(shí)，就稱(chēng)為碼分多址 CDMA
CMDA工作原理
1. 將每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱(chēng)為碼片
2. 為每個(gè)站指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列
  1. 發(fā)送比特 1：發(fā)送自己的 m bit 碼片序列
  2. 發(fā)送比特 0：發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼
碼片序列實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻
1. 要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率 = b bit/s，實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)率 = mb bit/s，同時(shí)，所占用頻帶寬度也提高到原來(lái)的 m 倍。
2. 擴(kuò)頻通常有 2 大類(lèi)
  1. 直接序列擴(kuò)頻 DSSS
  2. 跳頻擴(kuò)頻 FHSS
CMDA重要特點(diǎn)
1. 每個(gè)站分配的碼片序列：各不相同，且必須互相正交
2. 正交：向量 S 和 T 的規(guī)格化內(nèi)積 (inner product) 等于 0
  1. S表示站S的碼片向量
  2. T表示其他任何站的碼片向量
  3. $S*T≡\dfrac{1}{m}\sum_{i=1}^mS_iT_i=0$
3. 任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是 1
  1. $S ? S = 1$
4. 一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 –1
  1. $S*\overline S=-1$

數(shù)字傳輸系統(tǒng)

早期電話(huà)網(wǎng)長(zhǎng)途干線(xiàn)采用頻分復(fù)用 FDM 的模擬傳輸方式，目前大都采用時(shí)分復(fù)用 PCM 的數(shù)字傳輸方式
早期數(shù)字傳輸系統(tǒng)的缺點(diǎn)
1. 速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一
2. 不是同步傳輸
  1. 采用準(zhǔn)同步方式
同步光纖網(wǎng)SONET
1. 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)時(shí)鐘來(lái)自一個(gè)非常精確的時(shí)鐘
2. 定義了同步傳輸?shù)木€(xiàn)路速率等級(jí)結(jié)構(gòu)
  1. 傳輸速率以51.840Mbit/s為基礎(chǔ)。對(duì)電信號(hào)稱(chēng)為第1級(jí)同步傳送信號(hào)（STS-1），對(duì)光信號(hào)稱(chēng)為第1級(jí)光載波（OC-1）
  2. 現(xiàn)已定義了從 51.84 Mbit/s (即 OC-1) 到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的標(biāo)準(zhǔn)
同步數(shù)字系列SDH’
1. 由ITU-T(國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén))以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SONET制定
2. SDH的基本速率大概為155.520Mbit/s，稱(chēng)為第1級(jí)同步傳遞模塊（STM-1）
SONET/SDH標(biāo)準(zhǔn)的意義
1. 定義了標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)
2. 再物理層定義了幀結(jié)構(gòu)
3. 使北美、日本和歐洲這三個(gè)地區(qū)三種不同的數(shù)字傳輸體制在 STM-1 等級(jí)上獲得了統(tǒng)一
4. 已成為公認(rèn)的新一代理想的傳輸網(wǎng)體制
5. SDH 標(biāo)準(zhǔn)也適合于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)募夹g(shù)體制

寬帶接入技術(shù)

ADSL技術(shù)

非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)ADSL技術(shù)：用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有模擬電話(huà)的用戶(hù)線(xiàn)進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務(wù)
ADSL調(diào)制解調(diào)器
1. 離散多音調(diào)DMT調(diào)制技術(shù)：采用頻分復(fù)用的方法
2. ADSL不能保證固定的數(shù)據(jù)率
組成
1. 數(shù)字用戶(hù)接入復(fù)用器DSLAM、用戶(hù)線(xiàn)、用戶(hù)家中的一些設(shè)施
2. ADSL調(diào)制解調(diào)器又稱(chēng)接入端接單元ATU
  1. 電話(huà)端局所用的稱(chēng)為ATU-C（C代表端局）
  2. 用戶(hù)家中所用的稱(chēng)為ATU-R（R代表遠(yuǎn)端）
3. 用戶(hù)電話(huà)通過(guò)電話(huà)分離器和ATU-R連接在一起
優(yōu)點(diǎn)：可以利用現(xiàn)有電話(huà)網(wǎng)中的用戶(hù)線(xiàn)（銅線(xiàn)），而不需要重新布線(xiàn)
xDSL
1. 對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)DSL（SDSL）：適合企業(yè)使用
2. 高速數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)HDSL：使用一對(duì)線(xiàn)或兩對(duì)線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)DSL
3. 甚高速數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)（VDSL）：用于短距離傳送
4. 超高速數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)（Giga DSL）：使用時(shí)分雙工 TDD 和 OFDM 技術(shù)

光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）

機(jī)頂盒
1. 連接在同軸電纜和用戶(hù)的電視機(jī)之間
2. 使現(xiàn)有的模擬電視機(jī)能夠接收數(shù)字電視信號(hào)
電纜調(diào)制解調(diào)器
1. 將用戶(hù)計(jì)算機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)
2. 在上行信道中傳送交互數(shù)字電視所需的一些信息
3. 不需要成對(duì)使用，而只需安裝在用戶(hù)端
4. 復(fù)雜，必須解決共享信道中可能出現(xiàn)的沖突問(wèn)題

FTTx技術(shù)

光配線(xiàn)網(wǎng)ODN
1. 使若干用戶(hù)共享一根光纖干線(xiàn)
2. l采用波分復(fù)用 WDM，上行和下行分別使用不同的波長(zhǎng)
無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)PON：無(wú)源光配線(xiàn)網(wǎng)
1. 以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) EPON
  1. 在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用 PON 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的接入
  2. 與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性好，并且成本低，擴(kuò)展性強(qiáng)，管理方便
2. 吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò) GPON
  1. 采用通用封裝方法 GEM，可承載多業(yè)務(wù)，且對(duì)各種業(yè)務(wù)類(lèi)型都能夠提供服務(wù)質(zhì)量保證，總體性能比EPON好
  2. 成本稍高