計算機網絡-第2章物理層

本章內容：物理層和數據通信的概念、傳輸媒體特點（不屬于物理層）、信道復用、數字傳輸系統、寬帶接入

2.1-2.2 物理層和數據通信的概念

物理層解決的問題：如何在傳輸媒體上傳輸數據比特流，屏蔽掉傳輸媒體和通信手段的差異。

物理層主要任務：確定與傳輸媒體接口有關的特性，即機械、電氣、功能和過程特性。

數據通信系統（也可以叫計算機網絡系統）組成：源系統、傳輸系統、目的系統。源系統包括源點、發送器（調制器）；目的系統包含終點，接收器（解調器）。

基帶調制原因：基帶信號含有低頻、直流成分，許多信道不能傳輸。

調制有兩類，基帶調制和帶通調制，后者需要使用載波（carrier）。

基帶調制：對基帶信號進行波形變換，把數字信號變換成另一種數字信號，這種過程也叫編碼（coding）。

常用編碼方式：不歸零制（正電平代表1，負電平代表0）、歸零制（正脈沖代表1，負脈沖代表0）、曼徹斯特編碼（位周期中心的向上跳變代表0，向下跳變代表1）、差分曼徹斯特編碼（每一位中心始終有跳變，位開始邊界有跳變代表0，沒有跳變代表1）.曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高，且前者具有自同步能力，后者不具備，自同步能力指的是從信號波形本身提取信號時鐘頻率。

帶通調制：使用載波，將基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉換為模擬信號，經載波調制后的信號為帶通信號。

帶通調制方法：調幅（AM）、調頻（FM）、調相（PM）。為提高信息傳輸速率，必須采用技術上更復雜的多元制的振幅相位混合調制，如正交振幅調制（QAM， quadrature amplitude modulation）。

數字通信優點：雖然信號在傳輸時失真，但只要接收端能從中識別出原來信號，就對傳輸無影響。

影響失真的因素：碼元傳輸速率高、信號傳輸距離遠、噪聲干擾大、傳輸媒體質量差

限制碼元在信道上傳輸速率因素：信道能通過的頻率范圍（高頻分量通常不能通過信道）、信噪比。

碼間串擾：信號中的高頻分量傳輸時受到衰減，波形前沿和后沿不陡峭，每個碼元所占的時間界限不明確，接收信號波形失去碼元間的清晰界限。奈式準則給出了理想條件下，為避免碼間串擾，碼元傳輸速率上限值。推導超綱本書不給出推導。信道頻帶越寬，ne通過信號的高頻分量越多，就可用更高的傳輸速率。

信噪比：信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為S/N，用分貝（dB）作為度量單位。

噪聲可分為熱噪聲（電子熱震動引起，與溫度成正比）、脈沖噪聲（由電磁波輻射引起）、窄帶噪聲（由已調正弦波引起）、起伏噪聲（遍布在時域和頻域內的隨機噪聲，如大氣噪聲和宇宙噪聲），一般來說影響最大的是熱噪聲。

香農公式表示：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高。香農公式意義：只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種方法實現無差錯傳輸，但沒告訴具體的實現方法。

帶寬確定、信噪比確定，可通過編碼方式讓每個碼元攜帶更多比特的信息量，從而提高信息傳輸速率。

名詞定義解釋：

物理層協議也叫物理層規程（procedure）；

數據在計算機內部并行傳輸，在通信線路串行傳輸，物理層需完成傳輸方式轉換；

通信的目的發送消息；

消息：語音、文字、圖片、視頻等都是消息；

數據：運送消息的實體，通常為有意思的符號序列，機器語言；

信號：數據的電氣或電磁表現。

模擬信號/連續信號：代表消息的參數取值是連續的；

數字信號/離散信號：代表消息的參數取值是離散的；使用時域的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形為碼元，二進制編碼中只有0或1兩種碼元；

信道用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，一條通信電路通常包含一條發送信道和一條接收信道；

三種通信方式：單向通信、雙向交替通信、雙向同時通信（也分別叫單工、半雙工、雙工通信，單工有時也表示雙向交替通信，ITU-T未采用）；

基帶信號：基本頻帶信號，來自信源的信號，如計算機輸出的表示文字或圖像文件的數據信號為基帶信號。

2.3 物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也稱傳輸介質或傳輸媒介，發送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體分為導引型傳輸媒體或非導引型傳輸媒體。導引型沿固體媒體傳播，非導引型媒體中電磁波傳輸稱為無線傳輸。

電信領域使用的電磁波頻譜：

低頻(1-10^4)、無線電(10^4-10^8)、微波(10^8-10^11)、紅外線(10^11-10^14)、可見光(3.9-7.7*10^14)、紫外線(10^14-10^16)、X射線(10^16-10^22)、γ射線（10^22-10^24，單位Hz）;

雙絞線（10^4-10^6）、海事無線電(10^4-10^6)、調幅無線電(10^5-10^7)、調頻無線電（10^7-10^9）、電視(10^8-10^9)、同軸電纜(10^5-10^9)、移動無線電(10^9左右)、衛星（10^9-10^11）、地面微波(10^9-10^11)、光纖(10^14-10^15);

導引型傳輸媒體：雙絞線、同軸電纜、光纜、架空明線

各類別的雙絞線，衰減隨著頻率的升高增大，更粗的導線可降低衰減。信號的振幅應夠大，便于在噪聲干擾下正確檢測。

光纖發送端采用發光二極管或半導體激光器，在電脈沖作用下產生光脈沖；接收端采用光電二極管做成光檢測器，將光脈沖還原成電脈沖。

非導引型傳輸媒體：無線傳輸波段

短波通信靠電離層反射，電離層不穩定產生衰落和電離層反射產生的多徑效應，降低通信質量。

無線電微波通信在數據通信占重要地位，微波頻率300MHz-300GHz，主要用2-40GHz,直線傳播，不反射傳播，直接穿透電離層進入宇宙空間。兩種主要方式：地面微波接力通信、衛星通信。

微波一般傳播50km，用100m的天線塔，可增大到100km。遠距離傳輸需建立中繼站，放大后送到下一站，稱為接力。

衛星通信是用據地球站3萬6千公里的人造同步地球衛星作為中繼器的微波接力通信，只要三顆相隔120度的衛星就能實現全球通信。

低軌道衛星通信，相對地球非靜止，而是不停旋轉，使用手持通信設備即可通信。

可自由使用的無線電頻段，可滿足計算機無線局域網的需求。

名詞定義解釋：

用戶線/用戶環路：用戶電話機到交換機的雙絞線；

屏蔽雙絞線：雙絞線外面加一層金屬絲編織城的屏蔽層，簡稱STP，shielded twisted pair，價格比無屏蔽雙絞線UTP要貴。

3類線和5類線基于不同的絞合度進行劃分；

同軸電纜：由導體銅制芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、外導體屏蔽層、絕緣保護套層。局域網發展初期用，后逐步被雙絞線取代，現多用于有線電視網，高質量同軸電纜帶寬接近1GHz。

信息傳輸速率從20世紀70年代的56kbit/s提高到現在的100Gbit/s。

光纖通信利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖進行通信，由光脈沖相當于1，無為0.可見光頻率非常高，10^14Hz,10^8 MHz，傳輸帶寬遠高于其他各種帶寬。

光纖由石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。光波通過纖芯傳導，包層較纖芯有較低的折射率，入射角足夠大就會形成全反射，光線碰到包層就會折射會纖芯，不斷重復沿光纖傳播。

多模光纖，多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸；傳輸中會逐漸展寬，造成失真，只適合于近距離傳輸。

單模光纖，光纖的直徑減少到只有一個光的波長，光纖就像一根波導向前傳播，不會產生多次反射。制造成本很高，需要用昂貴的半導體激光器。損耗少，100Gbit/s傳100公里不用采用中繼器。

光纖通信采用的三個波段中心：850nm、1300nm、1550nm，三個波段都具有25000-30000GHz的帶寬。

光纜，光纖很細，直徑不到0.2mm，需做成結實的光纜，一根光纜含1到百根光纖。

架空明線：銅線或鐵線，互相絕緣的明線，但通信質量差，受氣候影響大，現已停止鋪設。

美國ISM頻段，industrial， scientific and medical(工業、科學與醫藥)的縮寫, 分別是902-928MHz，2.4-2.4835GHz，5.725-5.85GHz

2.4 信道復用技術

頻分復用FDM（frequency division multiplexing），用戶在分到一定的頻帶后，通信過程中自始至終的占用，相同時間占用不同的帶寬資源。

時分復用TDM（time division multiplexing），將時間劃分成一段段等長時分復用幀（TDM幀），TDM信號也稱等時（isochronous）信號，所有用戶在不同時間占用同樣的頻帶寬度。

復用器（multiplexer）和分用器（demultiplexer）成對使用.

統計時分復用STDM（ststic TDM）為改進的時分復用，采用集中器將數據集中起來，每個用戶占用的時隙并不是周期性的出現，又稱異步時分復用。普通的時分復用稱為同步時分復用。

波分復用WDM，wavelength division multiplexing 光的頻分復用。光載波的頻率很高，習慣用波長而非頻率表示使用的光載波。

密集波分復用DWDM，一根光前復用幾十路或更多路數的光載波信號，相較于最初的波分復用在一根光纖復用兩路光載波信號。

光復用器，將多個波長接近的光載波在一根光纖中傳播。波分復用的復用器也稱合波器。

摻鉺光纖放大器EDFA（erbium doped fiber amplifier）,放大衰減后的光信號。

碼分復用CDM（code division multiplexing）,更常用的名詞，碼分多址CDMA（code division multiple access）.各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，各用戶之間不會造成干擾。

CDMA工作原理：各站發送各站的擴頻信號，接收站打算接收某站X信號時，拿X站的碼片序列與收到的信號求規格化內積，為0的是要收的信息。

名詞定義解釋：

碼片（chip）：cdma中每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，m的值一般為64或128，書中為了畫圖示意設m為8；

碼片序列（chip sequence），使用cdma的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列；

擴頻（spread spectrum）包括直接序列擴頻DSSS（direct sequence spread spectrum）和跳頻擴頻FHSS（frequency hopping spread spectrum）；

直接序列擴頻，S站要發送信息的數據率為b bit/s，經轉換后發送的數據率提高到mb bit/s，占用的頻帶寬度也提高了m倍。

cdma給每一個站分配的碼片不僅各不相同，且相互正交（orthogonal）；實際的系統使用的是偽隨機碼序列。

正交關系：向量S為站S的碼片向量，向量T為其他站的碼片向量，兩站碼片序列正交，即向量S與向量T的規格化內積（inner product）為0。

2.5 數字傳輸系統

數字通信比模擬通信在傳輸質量和經濟上都有優勢，現在模擬線路只剩下從用戶電話機到市話交換機這一段幾公里的電話線上。長途干線采用時分復用的PCM數字傳輸系統。

早期數字傳輸系統問題：速率標準不一、不是同步傳輸（準同步方式，各支路信號時鐘頻率有偏差）

同步光纖網SONET（synchronous optical network），整個同步網絡的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘，定義了線路速率等級結構，以51.84Mbit/s為基礎，此速率對電信號稱為第1級同步傳送信號，即STS-1，對光信號為第1級光載波，即OC-1。后以此為基礎，推出國際標準同步數字系列SDH，synchronous digital hierarchy. SDH基本傳輸速率為155.52 Mbit/s，為第1級同步傳遞模塊，即STM-1.