通信导论--传输介质.ppt

网络技术导论传输介质 计算机学院2011年春季学期魏更宇 第二章传输介质 2 1传输介质的基本概念2 2双绞线2 3同轴电缆2 4无线信道2 5微波2 6光纤 2 1传输介质的基本概念 1 2 1 1传输介质传输介质是连接通信设备的媒介 是通信设备之间的物理通道 是信号的实际载体 传输介质的多样性源于通信环境和业务的多样性 2 1 2传输介质的分类有线 无线3类常见的传输介质电缆 非屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 同轴电缆Cable无线 可见光 微波 红外线等等光纤 单模光纤 多模光纤 传输介质和典型应用 2 1传输介质的基本概念 2 2 1 3传输介质与传输技术的设计根据传输介质的特性 传输介质的参数 1 带宽 可供使用的频谱宽度 2 误码率 单个比特差错出现的概率 3 信号传输距离 当信号在传输介质上传播 信号强度会随距离增加而衰减 当有用信号的强度衰减至一定水平时传输介质的长度就是介质的信号传输距离 4 安全 不同的传输介质因其特性有不同的安全等级 在传输时就需要采用的通信加密与认证技术 为不同的传输介质需要选用适合的安全保证技术 2 2双绞线 2 2双绞线 1 2 2 1双绞线概述1 定义 双绞线是由一对带有绝缘层的铜线 以螺旋的方式缠绕在一起制成的 双绞线电缆通常由一对或多对双绞线组成 双绞线通常用于传输平衡信号 双绞线在传输距离 信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制 但价格低廉 2 双绞线的特征 1 导线直径 铜导线的直径 一般直径越大 传输能力越强 2 含铜量 直观的表现就是导线的柔软程度 越柔软的导线含铜量越高 传输能力越强 3 单位长度绕数 表示了导线螺旋缠绕的紧密程度 单位长度内的绕数越多 对干扰的抵消作用就越强 4 屏蔽措施 屏蔽措施越好 抗干扰的能力就越强 国际电气工业协会为双绞线电缆的传输标准 2 2双绞线 2 非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP双绞线的分类 根据双绞线所支持的传输速率分类 1 一类线 主要用于传输语音 不用于数据传输 2 二类线 传输频率为1MHz 用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输 3 三类线 传输频率为16MHz 用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输 主要用于10base T 4 四类线 传输频率为20MHz 用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输 2 2双绞线 3 5 五类线 由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线 用于语音传输和高于100Mbit s的数据传输 主要用于百兆以太网 100base T的以太网中 通过颜色的组合来区分互相缠绕的双绞线对 6 超5类 由四对双绞线组成的非屏蔽双绞线 与五类线相比 超五类线所使用的铜导线质量更高 单位长度绕数也更多 因而衰减更小 信号串扰更小 具有更小的时延误差 在使用4对双绞线同时用于传输的情况下 可以用于1000base T的千兆以太网 7 六类线 传输频率为1MHz 250MHz 提供了250MHZ的带宽 适用于Gbps的应用 8 七类线 提供600MHZ的带宽 七类线是一种8芯屏蔽线 每对都有屏蔽层 一般为金属箔屏蔽DINTEK 8根芯外还有一个屏蔽层 一般为金属编织丝网屏蔽DINTEK 接口与现在的RJ 45不兼容 五类线图示 2 2双绞线 4 双绞线的优 1 低成本 易于安装 2 应用广泛双绞线缺点 3 带宽有限 4 信号传输距离短 5 抗干扰能力不强 2 2双绞线 5 双绞线的应用 1 ISDN综合业务数字网用户环路 2 xDSL DigitalSubscriberLine ADSL HDSL IDSL SDSL RADSL VDSL 3 Ethernet以太网十兆 百兆 千兆以太网的主要传输介质都是双绞线 十兆 百兆以太网使用了2对双绞线 千兆以太网使用了4对双绞线 一般的以太网线都包含4对双绞线 部分以太网线也采用平行线或同轴电缆作为传输介质 双绞线简要说明 双绞线常见的有Cat 3 3类线 Cat 5 5类线 Cat 5e 超5类线 Cat 6 6类线 以及目前的Cat 6A 6A类线 Cat 7 7类线 及Cat 8 8类线 等 Cat 1 传输最高速率为100kHz的语音信号 用作扬声器电缆 门铃电缆 报警器电缆等 不适用于网络或数字语音用途 Cat 2 传输最高速率为4MHz的信号 用于模拟或数字信号 不适用于网络用途 Cat 3 传输最高速率为16MHz的信号 用于10Base T以太网或数字语音用途 Cat 4 传输最高速率为20MHz的信号 因其价格与五类相关无几 但传输频率低 所以很少使用 Cat 5 传输最高速率为100MHz的信号 使用广泛 Cat 5e 传输最高速率为100MHz的信号 一种拥有比Cat 5更好性能的电缆 改善了诸多传输指标 支持双工应用 Cat 6 传输最高速率为250MHz的信号 Cat 6A 超六类电缆 性能比六类很明显提升 Cat 7 传输最高速率为600MHz的信号 Cat 8 为适应SOHO一族家庭办公与公司之间的信息沟通而产生的电缆 一般为SSTP结构 每一对有屏蔽 多对绞合之后还有一总屏蔽 特点为使用长度短 一般不超过50m 通过它可以将电话 计算机 数据传输 图像传输 图像 卫星传输 通讯 普通电视 数字电视等信息 音频 视频信号的传输全部解决 称为 宽带传输的数据电缆 2 3同轴电缆 1 2 3 1同轴电缆的概述同轴电缆由中心的铜质或铝质的导体 中间的绝缘塑料层 金属屏蔽层以及主要起保护作用的外套层组成 铜导体 绝缘层 屏蔽层 外套 同轴电缆的铜导体要比双绞线中的铜导体更粗 而接地的金属屏蔽层则可以有效的提高抗干扰性能 因此 同轴电缆具有比双绞线更高的传输带宽 2 3同轴电缆 2 常见的同轴电缆有两种 一种是50欧姆阻抗的同轴电缆 用于数字传输 由于多用于基带传输 也叫基带同轴电缆 另一种是75欧姆阻抗的同轴电缆 用于模拟传输 也被称为宽带同轴电缆 宽带同轴电缆在使用中其带宽可以被划分为几个范围 通常每一个频率范围都携带着各自的编码信息 这样就可以在一根电缆上同时复用的传输多个数据流 表2 3同轴电缆的常见规格 2 3同轴电缆 4 2 3 2同轴电缆的特点 1 可用频带宽 同轴电缆可供传输的频谱宽度最高可达GHz 比双绞线更适于提供视频或是宽带接入业务 也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输 2 抗干扰能力强 误码率低 但会受到屏蔽层接地质量的影响 3 性能价格比高 同轴电缆的成本比要双绞线高 但是它有明显优于双绞线的传输性能 其性能价格比有一定的优势 4 安装较复杂 同轴电缆和双绞线一样 线缆都是制作好的 使用时根据需要截取相应的长度再做连接头 由于同轴电缆中的铜导体粗 一般需要与连接件焊接相连 安装比双绞线复杂 2 3 3同轴电缆的应用 1 局域网 2 局间中继线路 3 有线电视 CATV 系统的信号线 4 射频信号线 2 4无线信道 1 2 4 1无线信道的基本概念无线通信的传输媒质 无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径 无线信道是最为复杂的一种通信信道 模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB 信号电平要比噪声电平高40000倍 有线传输介质中 信噪比的波动通常不超过l 2dB 陆地移动通信无线信道信号强度的骤然降低 衰落 经常发生 衰落深度可达30dB 无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境 复杂 恶劣的传播条件是无线信道的特征 运动中进行无线通信方式决定了无线传播环境的复杂和多变 所以无线信道特性十分复杂 2 4无线信道 2 2 4 2电磁波在无线信道中的传播1 基本传播机制 1 直射 无线信号在自由空间中的传播 2 反射 当电磁波遇到比波长大得多的物体时 就发生反射 反射一般在地球表面 建筑物 墙壁表面发生 3 绕射 当电磁波被尖锐的物体边缘阻挡时 会发生绕射 4 散射 当电磁波遇到比波长小的物体 并且单位体积内这种障碍物的数量较多的时 会发生散射 散射发生在粗糙的表面 小物体或其它不规则物体上 例如 树叶 灯柱等会引起散射 2 4无线信道 3 2 无线信道的指标多种传播机制的存在使得任何一点接收到的无线信号都极少是经过直线传播的原有信号 1 传播损耗 无线信号的损耗主要以下三种 路径损耗 由于电波的弥散特性造成的 反映了在公里级的空间距离内 接收信号电平的衰减 也称大尺度衰落 阴影衰落 慢衰落 接收信号的场强在长时间内的缓慢变化 一般由于电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的 多径衰落 快衰落 接收信号场强在整个波长内迅速的随机变化 一般主要由于多径效应引起的 2 传播时延 包括传播时延的平均值 传播时延的最大值和传播时延的统计特性等 3 时延扩展 信号通过不同的路径 沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展 时延扩展是对信道色散效应的描述 4 多普勒扩展 是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散 又称时间选择性衰落 是对信道时变效应的描述 5 干扰 包括干扰的性质以及干扰的强度 2 4无线信道 4 2 4 3无线信道的传播模型1 构建无线信道模型传播环境 传播机理用户台的移动性 传播参数随时变化 引起接收场强 时延等参数的快速波动信号传播特征 通信环境中的系统干扰各种不同条件下的无线信道模型 2 无线信道模型的分类无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型 后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型 1 室内传播模型 室内传播模型的主要特点是覆盖范围小 环境变动较大 不受气候影响 但受建筑材料影响大 典型模型包括 对数距离路径损耗模型 Ericsson多重断点模型等 2 室外宏蜂窝模型 当基站天线架设较高 覆盖范围较大时所使用的一类模型 实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划 3 室外微蜂窝模型 当基站天线的架设高度在3 6m时 多使用室外微蜂窝模型 其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗 常见的信道传播模型 2 4无线信道 5 3 如何构建传播模型 1 理论分析 即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性 并用各种数学模型来描述无线信道 2 现场实测 建立在大量实测数据和经验公式的基础之上 选取典型环境 进行电波传播实测试验 3 计算机模拟 是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方法 4 传播模型的输入参数模型的输入参数主要有 自然地形特征 植被特征 天气状况 电磁噪声状况 天线高度 包括接收机和发射机的天线高度 建筑物的分布 建筑物的平均高度 载波频率 波长 收发天线之间的距离等 2 4无线信道 6 2 4 4无线信道的特点 1 频谱资源有限 可供通信用的无线频谱从数十MHz到数十GHz 无线频谱是国家严格管制使用的资源 特定的通信系统频谱资源是非常有限的 随着用户数量增长 必须精心设计无线通信技术 高效使用有限的频谱资源 2 传播环境复杂 电磁波在无线信道中存在多种传播机制 使得接收端的信号处于极不稳定的状态 接收信号的幅度 频率 相位等均可能处于不断变化之中 3 存在多种干扰 电磁波在一个开放环境之中传播 各种工业或民用设备都会产生电磁波 相同频率的有用信号的传播就形成了干扰 射频器件的非线性还会引入互调干扰 同一通信系统内不同信道间的隔离度不够还会引入邻道干扰 4 网络拓扑不断的变化 无线通信产生的一个重要原因是用户可以自由的移动 同一系统中不同位置的用户或某一个用户的移动 都会导致移动通信系统中产生不同的传播路径 信号在不同传播路径之间的干扰 自组织 ad hoc 网络 更具有接收机和发射机同时移动的特点 对无线信道产生新的影响 2 5微波 1 2 5 1微波频段的定义微波频段被定义为1GHz到100GHz的范围 也有定义认为微波频段的上限为1000GHz2 5 2微波通信的特点 1 工作频率高 可用的带宽大 2 波长短 易于设计高增益天线 3 受天电干扰小 4 视距传播 5 容易受天气影响 2 5微波 2 2 5 3地面视距信道微波传输的信道称为地面视距信道 视距传播模型主要考虑的因素包括大气效应和地面效应 大气效应主要包括吸收衰减 雨雾衰减和大气折射 地面效应主要包括费涅尔效应和地面反射 1 吸收衰减 主要发生在微波的高频段 不同的大气成分如水蒸汽 氧气具有不同的吸收衰减 对12GHz以下的低频段影响较小 2 雨雾衰减 在10GHz以下频段 雨雾衰减并不严重 一般只有几dB 在10GHz以上频段 雨雾衰减则大大增加 下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素 在暴雨天气下出现的电视转播中断常是由此原因造成的 3 大气折射 由于空气密度存在梯度而造成的微波传播方向的改变 4 费涅尔效应 微波传播在遇到障碍物时产生的附加损耗 5 地面反射 传播过程中产生电平衰落的主要原因 6 频率选择性衰落 2 5微波 3 2 5 4微波通信的主要应用 1 微波中继通信微波中继通信系统一般包含终端站和中继站两大类设备 它的站与站之间要求具有视距传播条件 通过高度指向性天线来完成相互通信 中继站上的天线依次将信号传递给相邻的站点 这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输 2 多点分配业务 MDS 是一种固定无线接入技术 它包括由运营商设置的主站和位于用户处的子站 可以提供数十MHz甚至数GHz的带宽 这些带宽由所有的用户共享 MDS系统主要为个人用户 宽带小区和写字楼等设施提供无线宽带接入 它的特点是建网迅速 但资源分配不够灵活 MDS包括覆盖范围较大的多信道多点分配业务 MMDS 和覆盖范围较小 但提供带宽更为充足的本地多点分配业务 LMDS 微波 4 多点分配业务系统 2 5微波 5 3 无线局域网 目前基于802 11系统标准的无线局域网也工作于微波频段 其中802 11b工作于2 4GHz 802 11a g工作于5 8GHz 2 5微波 6 4 第4代移动通信系统 未来的移动通信系统要求达到数百MHz的带宽 在频谱资源十分紧张的800MHz 900MHz 2GHz等频段通信是难以想象的 一个可行的解决方案即是使用目前频谱资源相对宽松的微波频段 特别是频率较高的微波频段 微波频段的衰减较大 在非视距传播时的性能较差 这还是一个有待于进一步研究的难点 2 5微波 卫星 7 5 卫星通信 基本概念 以卫星作为中继站转发微波信号 在多个地面站之间通信 按卫星业务描述 固定卫星业务FSS广播卫星业务BSS移动卫星业务MSS按工作轨道分类 1 同步轨道GEO 2 中轨道MEO 3 低轨道LEO 2 5微波 卫星 8 卫星通信中使用的频谱资源 波段 C波段 6GHz 4GHz 上行 下行 C波段对于天气的适应性较好 但C波段的工作频率被地面微波系统所共享 Ku波段 14GHz 11GHz 它的频段并没有被其它系统所使用 能够提供一定的终端移动性支持 但更容易受到天气因素的干扰 Ka波段 30GHz 20GHz 可以提供更宽的频谱供使用 Ka波段最容易受到天气因素 如雨衰 的影响 L波段 390MHz 1550MHz 受天气影响最小 但可提供的频带宽度不足 2 5微波 卫星 4 卫星网络分段 空间段控制段地面段卫星通信的特点 1 下行广播 覆盖范围广 2 工作频带宽 3 通信质量好 4 信号传输时延大 5 控制复杂 2 6光纤 1 2 6 1光纤通信的概念与基本原理激光 激光器具有亮度高 谱线窄 方向性好的特点 可以产生理想的光载波 利用可以导光的玻璃纤维 光纤进行长距离的光波传输 光纤通信的定义 光纤通信是以光波为载频 光导纤维为传输媒介的一种通信方式 光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制 在接收端以直接检波的方式来完成光 电变换 2 5光纤 2 2 6 2光纤的工作窗口1 工作窗口的定义石英光纤也具有光波通过的选择特性 对特定波长的光波的传输损耗要明显小于其它波长的光波 这些特定的波长就是光纤的工作窗口 2 三个工作窗口 1 0 8 0 9 m 最低损耗2 5dB km 采用石英多模光纤 主要应用于近距通信 目前在传输网中已很少使用 2 1 31 m 最低损耗0 27dB km 采用石英单模光纤 目前已获得大规模应用 3 1 55 m 最低损耗0 16dB km 采用石英单模适当色散光纤 目前主要用于长距离传输系统 如跨海光缆等 2 5光纤 3 2 6 3光纤的相关概念1 光在光纤中的传播光在空气中沿直线传播 光射向镜面时会发生反射 从一种介质进入另一种介质时 会发生折射 当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时 如果入射角大于临界值就会发生全反射 如果在玻璃纤维外包裹一定的材料 就可以由全反射来保证光波只在玻璃纤维中传播 这即是光导纤维的工作原理 2 光纤的结构实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝 通信用光纤的外径一般为125 140 m 一般光纤由纤芯和包层组成 纤芯完成信号的传输 包层与纤芯的折射率不同 将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用 工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆 图2 7光纤的结构 图2 8四芯光缆剖面示意图 2 5光纤 4 3 光纤的分类 1 根据光纤横截面上折射率的不同 可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤 阶跃型光纤的纤芯和包层间的折射率分别是一个常数 在纤芯和包层的交界面 折射率呈阶梯型突变 渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小 在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率 纤芯的折射率的变化近似于抛物线 2 按传输模式分 分为单模光纤 SingleModeFiber 和多模光纤 MultiModeFiber 光以一特定的入射角度射入光纤 在光纤和包层间发生全发射 从而可以在光纤中传播 即称为一个模式 当光纤直径较大时 可以允许光以多个入射角射入并传播 此时就称为多模光纤 当直径较小时 只允许一个方向的光通过 就称单模光纤 由于多模光纤会产生干扰 干涉等复杂问题 在带宽 容量上均不如单模光纤 实际通信中应用的光纤绝大多数是单模光纤 3 按照制造光纤所用的材料分 可以分为石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤和氟化物光纤 2 5光纤 5 单模光纤又可以按照最佳传输频率窗口分为 常规型单模光纤和色散位移型单模光纤 常规型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上 如1 31 m 相关国际标准为ITU TG 652 色散位移型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上 如 1 31 m和1 55 m 相关国际标准为ITU TG 653 2 5光纤 6 4 光纤的损耗 1 损耗 当光波通过光纤后 光的强度会被衰减 这说明光纤中存在某种物质或是由于某种原因阻挡光波信号通过 这就形成了光纤的传输损耗 2 固有损耗和附加损耗 根据引起损耗的原因 可以把损耗分为固有损耗和附加损耗 3 吸收损耗 制造光纤的材料会在一定程度上吸收光能 材料中的粒子吸收光能后 会产生振动发热等现象而将能量散失掉 这就产生了吸收损耗 4 散射损耗 如果光纤材料粒子的固有振动频率与入射光波的频率相同 就会产生共振 该粒子就会把入射光向各个方向散射 从而衰减了入射光的能量 另外 光纤中的杂质 如气泡 以及