计算机网络（物理层）

物理层

物理层最核心的工作内容就是解决比特流在线路上传输的问题

基本概念

何为物理层？笼统的讲，就是传输比特流的。

可以着重看一下物理层主要任务的特性

传输媒体

传输媒体举例：

引导型传输媒体

引导型传输媒体指的是信号通过某种物理介质进行引导的传输方式。这些介质可以是导线、光纤等，它们能够限制信号在特定的路径上传播。以下是一些常见的引导型传输媒体的例子：

• 双绞线（Twisted Pair）：由两根绝缘铜线缠绕在一起组成的电缆，用于抵抗电磁干扰。常见的类型包括UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线）和STP（Shielded Twisted Pair，屏蔽双绞线）。注意：双绞线在传入信号时，信号的振幅应该足够大时才容易被检测到。

• 同轴电缆（Coaxial Cable）：由内导体、绝缘层、网状屏蔽层和外护套组成的电缆，用于传输较高频率的信号。同轴电缆在现代有线电视和早期的以太网中使用较多。

• 光纤（Fiber Optic Cable）：由玻璃或塑料制成的纤维，用于通过光信号传输数据。光纤具有高带宽、远距离传输和抗电磁干扰的特点，常用于高速和长距离的网络连接。如果光纤需要中继可以使用掺铒光纤放大器。（光纤自带修正折射角度的特性）

非引导型传输媒体

非引导型传输媒体指的是信号在没有物理介质引导的情况下通过空气或其他介质传播的方式。这些介质不限制信号的传播路径，因此信号可以在空间中自由传播。以下是一些常见的非引导型传输媒体的例子：

• 无线电波（Radio Waves）：利用电磁波在空气中传播信号的方式，广泛应用于无线通信，如Wi-Fi、蓝牙、4G/5G移动网络等。

• 红外线（Infrared）：使用红外线波段的电磁波进行短距离通信，常见于遥控器和一些近距离无线数据传输。

编码与调制

想要利用信道传输数据，就必须将数据转换为能在传输媒体上传输的信号。信道可以分成模拟信道和数字信道

数字数据（比特）转换成数字信号的过程，称为编码
数字数据（比特）转换成模拟信号的过程，称为调制

模拟信道：电话线，广播电视线等
数字信道：互联网，无线WIFI等

码元的定义：一段波所代表的基本信息，一段码元包含了某些信息。在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。
同时，码元也是承载信息的基本单位。

常用编码有哪些？

调制

基本调制方法，一个码元内可以包含的信息是很少的，无法包含很多信息

频率、相位、振幅，三选二进行微调。调制技术的目的就是为了让一个有限的码元内部，尽可能多的携带数据。但是：

信道的极限容量

信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰，说人话就是被干扰的太厉害分不清了

为了避免这种码间串扰的情况，提出了奈氏准则

香农公式推算出了理想状态下信道的信号传输极限

香农公式与奈氏准则的区别

传输方式

串行&并行

• 串行传输

串行传输就是单个线路上比特流进行传输（一个一个比特依次发送）

• 并行传输
  并行传输就是多条线路同时传输比特流（一次发送n个比特）
  

同步传输&异步传输

• 同步（不管用什么方式，保证收发双方对每一个比特在线路上持续的时间达成一致）
  

• 异步（异步传输是以独立的字节为单位（8bit）每个字节的内部仍要同步）
  

单工&半双工&全双工

• 单工
  只能接收，类似广播，不能回复
• 半双工
  收发不同步，类似对讲机，接的时候不能回复，对方说完了才能回复
• 全双工
  收发同步进行，类似手机，可以同步收发

信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念，复用可以节约传播介质。让大家合起来用一个共享信道进行通信。
左边是单个信道的场景。其容量较小。
右边是共享信道的场景。容量更大，但费用也高。

频分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM），将传输线路的频带资源划分成多个子频带，从而在一个大容量信道上，划分出多个子信道。

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。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的带宽是频带带宽而不是数据的发送速率），并且频分复用是并行的，所以不考虑时延。

频分复用FDM示意图

注意：频分复用要求总频带宽度要大于各个子信道频带宽度之和。并且一般为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，会要求在各子信道之间设立隔离带。

如下图，传输信号经过调制解调器使用不同频率调制，形成不同频率的声波，然后把不同频率的声波叠加成一个声波进行传输。

在接收端收到信号以后，使用过滤器针对不同频率进行过滤，然后使用相同的频率进行解调，从而还原发送端传播的声波信息。

时分复用

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（Time Division Multiplexing， TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TMD帧中占用固定序号的时隙。每一个用户占用的时间空隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）。

TDM信号也成为等时信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。（可用的带宽全给占用了，所有用户都一样）

发送端不同用户的信息存放位置是有规律的，接收端根据规律来取对应用户的数据。每一个TDM帧的固定位置都有固定的用户。如图：

不同用户的数据存放的位置始终是不变的，虽然时间短，但是带宽大

数据的排列图示

时分复用的实现机制
存取双方都遵从一定的时钟速率进行存取值
左边的是复用器（发送端），右边是分用器（接收端）。二者必须成对使用。
简而言之，复用器负责将多个信号合并为一个信号以便于传输，而分用器则负责将合并的信号分离，恢复为原始的多个信号，以便分发给不同用户。

时分复用的问题
时分复用可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。可以看到，当某个用户无数据发送时，在时分复用帧中，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。其他用户即使有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。（因为TDM帧中，每个用户的时隙都是定好的专属时隙，即使空闲了，其他人也不能直接用）
如下图：

针对利用率不高的问题，提出了统计时分复用。

统计时分复用

统计时分复用（Statistic TDM ，STDM），能明显的提高利用率，集中器常使用这种统计时分复用。
首先注意，STDM帧中的时隙，并不是固定的分配给某个用户的。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧，对没有数据的级存就跳过去。当一个帧的数据放满了（时间槽满了，集中器缓存空了的同时达到了STDM帧的最小帧要求等等情况），就把数据发送出去。

在不同信号前多加了一个信号标识，通过标识来区分不同用户的数据，不同数据不再占用一个固定的位置，数据存放是没有规律的，因此每个时隙中必须包含用户的地址信息，从而达到高效利用信道的目的。

波分复用

波分复用WDM，实际上就是光的频分复用，将n个光线调制到不同的波长上，然后用光波分复用器将技术光束合并成一道光。同时，接收端需要用光解调器，分离成不同波长的光。

波分复用的简略示意图

码分复用

码分复用的提出背景：当 时域、频域 无法再分时，寻求一种新的方法在同一信道传输多个信号（共享信道）

码分复用（Code Division Multiplexing ， CDM码分复用），也叫码分多址（Code Division Multiplexing Access， CDMA码分多址）来称呼该技术，主要用于无线通信。

· 可以实现多个用户同时使用同样频率进行通信
· 如何实现？—— 通过各用户的码序列进行区分。并且由于多个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰，且抗干扰能力强。

CDMA原理

1、每个比特（0或1）以一组码序列发送
在CDMA中，每一个比特时间再划分成m个短的间隔，称为码片（Chip），通常m的值是64或者128（m位编码将每位比特划分为m），后面为了简便运算，设m为8。

码片：一个数据信号（如逻辑1或0）通常要用多个编码信号来进行编码，那么其中的一个编码信号就称为一个码片

2、一个数据信号（如逻辑1或0）通常要用多个编码信号来进行编码，如这个站要发送1，就发送该码片的原码，如要发送0，就发送给码片的反码。

所以不难发现，因为0和1的定义变了，原来的1可能就只需要1个比特，现在的1在新的码片定义下需要8个比特。因此，其对应的发送速率就要提升至原来的n倍，才能保持和原来一样的发送速率。（只针对用CDMA的站点）

使用 CDMA 的每一个站被指派一个 唯一的 m bit 码片序列，也就是这个站点自己独有的码片序列
一个站若要发送 比特 1，就发送它自己的 m bit 码片序列；若要发送bit 0，就发送其码片序列的二进制反码。因此，为避免不通CDMA站点之间混淆，给每一站分配的码片序列不仅必须各不相同，还必须互相正交

Q：为啥要正交？
A：通过分配互相正交的码片序列，通信系统可以实现多用户的同时通信，即使它们在同一时间使用相同的频率，也可以将其区分出来。这是因为接收端可以根据接收到的信号与预先知道的码片序列进行内积运算，从而将特定用户的信号从其他用户的信号中区分出来。

通常将码片中的 0 写成 -1，将 1 写成 +1

如何选择码片序列

各用户的码片序列都是唯一的，要求我们可以通过（两个向量如果正交，那么他们的数量级为0，或者说向量内积为0）这个想法去实现。只需要每个用户码片之间相互正交即可
正交的实现（站点接收后，根据提前得到的码片序列，对收到的信号进行计算）：
第一个式子计算结果是1，所以得到了比特1的数据
第二个式子计算结果是-1，所以代表得到了比特0的数据
第三个式子计算结果是0，所以代表当前收到的信号是别人的，舍弃

流程图

注意，这里T站是其他站点，目的是为了对比和T站规格化内积的对比，并且T站发出的信号，最后会和S站叠加在一起放在共享信道上传输
叠加后的信号，因为是叠加的，所以直接利用提前收到的S站码片序列对其进行正交计算即可。根据结果来判断本次叠加信号是否有S站发出的信号

扩频

除了发送速率要按照码片的n倍提升以外，总的发送信号因为是叠加的关系，如图所示，不难发现其频带宽度也需要对应累加扩大，因为是叠加。
这里只是简单表述其概念，真实的扩频要比这个复杂