「计算机网络」物理层

物理层的基本概念

1. 物理层的作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
2. 物理层规程：用于物理层的协议
3. 主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性
   1. 机械特性
   2. 电器特性
   3. 功能特性
   4. 过程特性

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

1. 划分为三大部分
   1. 源系统（发送端、发送方）
      1. 源点（源站或信源）：源点设备产生要传输的数据
      2. 发送器：调制器
   2. 传输系统（传输网络）
   3. 目的系统（接收端、接收方）
      1. 接收器：解调器
      2. 终点（目的站或信宿）
2. 常用术语
   1. 消息：语音、文字、图像、视频等
   2. 数据：运送消息的实体，通常是有意义的符号序列
   3. 信号：数据的电气或电磁的表现
      1. 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的
      2. 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的
   4. 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

有关信道的几个基本概念

1. 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体
2. 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
3. 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（接收）
4. 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息
5. 基带信号（基本频带信号）
   1. 来自信源的信号
   2. 包含较多的低频分量，甚至有直流分量
6. 调制
   1. 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
   2. 带通调制：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。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
7. 常用编码方式
   1. 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0
   2. 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0
   3. 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
   4. 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
8. 基本的带通调制方式
   1. 调幅（AM）
   2. 调频（FM）
   3. 调相（PM）

信道的极限容量

1. 信道能够通过的频率范围
   1. 奈氏准则：码元传输的最高速率 = 2W （码元/秒）
2. 信噪比
   1. 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。即：
      1. 信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
   2. 香农公式
      1. 信道的极限信息传输速率 C  可表达为：C = W log2(1+S/N)  (bit/s)
         1. W 信道的带宽 (Hz)
         2. S  为信道内所传信号的平均功率
         3. N 为信道内部的高斯噪声功率

物理层下面的传输媒体

• 传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

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

1. 双绞线
   1. 绞合度越高，可用的数据传输率越高
   2. 分类
      1. 无屏蔽双绞线UTP
      2. 屏蔽双绞线STP
         • 必须有接地线
2. 同轴电缆
   1. 具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据
3. 光缆
   1. 发送端：要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲
      1. 光源：发光二极管，半导体激光器等。
   2. 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

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

1. 无线电信微波通信
   1. 占有特殊的重要地位
   2. 微波再空间中主要是直线传播
2. 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
3. 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。

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

1. 频分复用FDM
   1. 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
   2. 所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源
2. 时分复用TDM
   1. 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）
   2. 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
   3. 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）
   4. TDM 信号也称为等时信号
   5. 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
   6. 时分复用会导致信道利用率不高
3. 频分多址和时分多址
   1. 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，简称为频分多址
   2. 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 ，简称为时分多址
4. 复用器和分用器
   1. 成对使用
5. 统计时分复用STDM
   1. 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

1. 波分复用WDM
   1. 光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号
   2. 在一根光线上复用两路光载波信号
2. 密集波分复用DWDM
   1. 在一根光线上复用更多的光载波信号

码分复用

1. 码分复用
   1. 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信
   2. 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰
   3. 当码分复用 CDM 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA
2. CMDA工作原理
   1. 将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片
   2. 为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列
      1. 发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列
      2. 发送比特 0：发送该码片序列的二进制反码
3. 码片序列实现了扩频
   1. 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。
   2. 扩频通常有 2 大类
      1. 直接序列扩频 DSSS
      2. 跳频扩频 FHSS
4. CMDA重要特点
   1. 每个站分配的码片序列：各不相同，且必须互相正交
   2. 正交：向量 S 和 T 的规格化内积 (inner product) 等于 0
      1. S表示站S的码片向量
      2. T表示其他任何站的码片向量
      3. $S\ast T\equiv \frac{1}{m}{\sum }_{i=1}^m{S}_i{T}_i=0$
   3. 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
      1. $S\ast S=1$
   4. 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1
      1. $S\ast \overline{S}=-1$

数字传输系统

1. 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
2. 早期数字传输系统的缺点
   1. 速率标准不统一
   2. 不是同步传输
      1. 采用准同步方式
3. 同步光纤网SONET
   1. 整个网络的各级时钟来自一个非常精确的时钟
   2. 定义了同步传输的线路速率等级结构
      1. 传输速率以51.840Mbit/s为基础。对电信号称为第1级同步传送信号（STS-1），对光信号称为第1级光载波（OC-1）
      2. 现已定义了从 51.84 Mbit/s (即 OC-1) 到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的标准
4. 同步数字系列SDH’
   1. 由ITU-T(国际电联电信标准化部门)以美国标准SONET制定
   2. SDH的基本速率大概为155.520Mbit/s，称为第1级同步传递模块（STM-1）
5. SONET/SDH标准的意义
   1. 定义了标准光信号
   2. 再物理层定义了帧结构
   3. 使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一
   4. 已成为公认的新一代理想的传输网体制
   5. SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制

宽带接入技术

ADSL技术

1. 非对称数字用户线ADSL技术：用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务
2. ADSL调制解调器
   1. 离散多音调DMT调制技术：采用频分复用的方法
   2. ADSL不能保证固定的数据率
3. 组成
   1. 数字用户接入复用器DSLAM、用户线、用户家中的一些设施
   2. ADSL调制解调器又称接入端接单元ATU
      1. 电话端局所用的称为ATU-C（C代表端局）
      2. 用户家中所用的称为ATU-R（R代表远端）
   3. 用户电话通过电话分离器和ATU-R连接在一起
4. 优点：可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线
5. xDSL
   1. 对称数字用户线DSL（SDSL）：适合企业使用
   2. 高速数字用户线HDSL：使用一对线或两对线的对称DSL
   3. 甚高速数字用户线（VDSL）：用于短距离传送
   4. 超高速数字用户线（Giga DSL）：使用时分双工 TDD 和 OFDM 技术

光纤同轴混合网（HFC网）

1. 机顶盒
   1. 连接在同轴电缆和用户的电视机之间
   2. 使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号
2. 电缆调制解调器
   1. 将用户计算机接入互联网
   2. 在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息
   3. 不需要成对使用，而只需安装在用户端
   4. 复杂，必须解决共享信道中可能出现的冲突问题

FTTx技术

1. 光配线网ODN
   1. 使若干用户共享一根光纤干线
   2. l采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长
2. 无源光网络PON：无源光配线网
   1. 以太网无源光网络 EPON
      1. 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
      2. 与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便
   2. 吉比特无源光网络 GPON
      1. 采用通用封装方法 GEM，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
      2. 成本稍高