精炼计算机网络——物理层（二）

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前言

上篇文章，我们初步了解了物理层的一些基本性质，知道了信道的极限容量，知晓了一些传输媒体。读者读完本篇文章，将会对物理层有了更深的了解。本篇文章会重点告诉读者们以下内容：信道复用技术、数字传输系统、带宽接入技术。

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2.4信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

复用是通信技术中的基本概念。

如图，A₁,B₁,C₁分别使用一个单独的信道与A₂，B₂,C₂进行通信。但如果在发送端使用一个复用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

最基本的复用就是频分复用FDM和时分复用TDM。

频分复用使用调制的方法，把各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
TDM信号也称为等时信号。时分复用的所有用户实在不同的时间占用同样的频带宽度。

这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活，时分复用更有利于数字信号的传输。

使用FDM或TDM的复用技术，可以让多个用户（可以处在不同地点）共享信道资源。

如图(a)中的频分信道，可让M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。

如图(b)中的时分信道，则可让4个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这4个时隙。这种方式称为时分多址接入TDMA，简称为时分多址。

FDMA或TDMA中的“MA”表明**“多址”，意为强调这种复用信道可以让多个用户（可以再不同地点）接入进来。而“FD”或者“TD”则表示所使用的复用技术是“频分复用”或“时分复用”**。但术语FDM或TDM则说明是在频域还是在时域进行复用。而不强调复用的信道是用于多个用户还是一个用户。

在进行通信时，复用器总是和分用器成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

当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，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用STDM是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将其数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每有一个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，然后集中器按顺序一次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。

STMD帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此，统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡的。

由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户的，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用的集中器，也叫作智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力，通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外，许多集中器还具有路由选择，数据压缩，向前纠错等功能。

注意的是：TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流这种所划分的帧。这种“帧”和数据链路层的“帧”是完全不同的概念。

2.4.2 波分复用

波分复用WDN就是光的频分复用。
最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用WDN。现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号，于是就使用了密集波分复用DWDN。

光复用器（波分复用的复用器又称为合波器）
光分用器（波分复用的分用器又称为分波器）

光信号传输了一段距离后就会衰减，因此必须对衰减了的光信号进行放大才能继续传输。现在已经有了很好的掺饵光纤放大器EDFA。

两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km，而光复用器和光分用器之间的无光电转换的距离可达600km。

2.4.3 码分复用

码分复用CDM是另一种共享信道的方法。当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各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。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被发现。采用CDMA可提高通行的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。通常m为64和128，先假定m = 8。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

eg：指派给S站的8 bit码片序列是00011011，当S发送比特1时，它就发送序列00011011。而当S发送比特0时，就发送11100100。可按惯例将码片中的0记为-1，将1记为+1。因此S站的码片序列是（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。

假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高mb bit/s。同时S站所占用的频带宽度也提高到原值的m倍。这种通信方式是扩频通信中的一种。扩频通信通常有两大类。一种是直接序列扩频DSSS，另一种是跳频扩频FHSS。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须互相正交。在实用的系列中是使用伪随机码序列。

令向量$\vec{S}$表示站S的码片向量，再令$\vec{T}$表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量$\vec{S}$和向量$\vec{T}$的规格化内积都是0。即$\vec{S}$ $\times$ $\vec{S}$ = $\frac{1}{m}$ ${\sum }_1^m$S_i T_i = 0。

$\vec{S}$ $\times$ $\vec{S}$ = $\frac{1}{m}$ ${\sum }_1^m$S_i S_i = $\frac{1}{m}$ ${\sum }_1^m$ S_i² = $\frac{1}{m}$ ${\sum }_1^m$（$\pm$ 1）² = 1。

而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

利用全球定位系统GPS能做到所有的站所发送的码片序列是同步的，即所有的码片序列都是在同一时刻开始的。

2.5 数字传输系统

在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。光纤的高带宽适用于承载今天的高速率数据业务和大量复用的低速率业务。

早期的数字传输系统存在着许多缺点，其中最主要的两个是：
(1) 速率标准不统一
(2) 不是同步传输
为解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫作同步光纤网SONET。

ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH。

2.6 带宽接入技术

从带宽接入的媒体来看，可以划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无限宽带接入。

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术是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。

ADSL技术把0~4kHZ低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

由于用户当时上网主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP带宽）。“非对称”这个名词就是这样得出的。

ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。我国采用的方案是离散多音调DMT调制技术。DMT调制技术采用频分复用的方法。这种方法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。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。ADSL不能保证固定的数据率。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数据用户线接入复用器DSLAM、用户线和用户家中的一些设施。数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器，ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU。

第二代ADSL改进的地方主要是：
(1) 通过提高调制效率得到了更高的数据率。

(2) 采用了无缝速率自适应技术SRA，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状态，自适应地调整数据率。

(3) 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

ADSL并不适合于企业。为了满足企业的需要，ADSL技术有几种变型。例如，对称DSL，即SDSL。它把带宽平均分配到下行和上行两个方向。还有一种使用一对线或两对线的对称DSL叫作HDSL，用来取代T1线路的告诉数字用户线。

还有一种比ADSL更快的、用于短距离传送的VDSL，即甚高速数字用户线。

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网（HFC网）是在目前覆盖面很广的有限电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤节点。在光纤节点信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫作机顶盒的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。但为了使用户能够利用HFC网接入到互联网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器，它又称为电缆调制解调器。

电缆调制解调器不需要成对使用，而只需安装在用户端。

2.6.3 FTTx技术

多种宽带光纤接入方式，简称为FTTx。表示Fiber To The…这里的字母x可代表不同的光纤接入地点。

为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置，即光配线网ODN，使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。

现在广泛使用无源光配线网。“无源”表明在光配线网中无须配备电源。无源光配线网常称为无源光网络PON。

如图，光线路终端OLT是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1：N光分路器，然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU发送。有时也可以使用多级的光分路器。每个ONU根据特有的标识只接收发送给自己的数据，然后转换为电信号发往用户家中。每一个ONU到用户家中的距离可根据具体情况来设置，OLT则给各ONU分配适当的光功率。如果ONU在用户家中，那就是光纤到户FTTH。

光ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA方式发往OLT，而发送时间和长度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纤主干。

光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。

无源光网络PON的种类很多，但最流行的有以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。

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总结

读完本篇文章，读者须重点掌握信道复用技术，牢固掌握频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用，知晓它们的区别和原理。除此以外，读者可以稍微了解一下数字传输系统和带宽接入技术。读者读到此处，我们的物理层学习就告一段落了，下一篇文章将展开对数据链路层的学习，我们不见不散。