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第二章物理层 简介 物理层处于网络模型的最底层 它为网络定义了 机械 电气和时序的接口 物理层的主要任务 确定与传输媒体接口的一些 特性 即 1 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺 寸 引脚数和排列 固定与锁定装置 2 电气特性 在接口电缆上的哪条线上出现的电 压范围 3 功能特性 指明某条线上出现的某一点平的电 压表是何种意义 4 规程特性 各种可能事件的出现顺序 简介 主要内容 数据传输的理论分析 讨论三种传输介质 有导向 铜线和光纤 无线 卫星 讨论三个通信系统 固定电话系统 移动电话系统 有线电视系统 2 1 数据通信的理论基础 2 1 1 傅立叶分析 通过某种物理特性 电压或电流 的变 化 可以在线路上传输信息 可以用以时间t为自变量的单值函数f t 表示 电压或电流的值 从而对信号的行为建模 11 1 sin 2 cos 2 2 nn nn g tcanftbnft f 1 T 基频 an和bn是n次谐波的正弦和余弦振幅 c为常量 0 0 2 sin 2 2 cos 2 T n T n ag tnft dt T bg tnft dt T 0 2 T cg t dt T 2 1 2 有限带宽的信号 所有的传输设施在传输过程中都会损失一些能量 传输设施对不通傅立叶分量的衰减不相同 导致信号变 形 从0到某一个频率fc Hz 这一段范围内 振幅在传输过 程中不会衰减 而在fc之上的频率所对应的振幅则会有不 同程度的衰减 传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频 率范围称为传输设施的带宽 bandwidth 通常带宽是指从0到某一个能保留一半能量的频率处 带宽带宽是传输介质的一种物理特性 取决于介质的材料 厚 度和长度 ASCII字符 b 编码为8位 bit 的字节 byte 被传输为 01100010 平方根振幅 1 cos 4 cos 3 4 cos 6 4 cos 7 4 1 sin 3 4 sin 4 sin 7 4 cos 6 4 3 4 n n annnn n bnnnn n c 22 nn ba 2 1 3 信道的最大数据传输速率 奈奎斯特定理 对于一个理想的无噪声带宽为 H的低通滤波器 最大数据传输率为 香农定理 一条带宽为H Hz 信噪比为 S N的有噪声信道 最大数据传输率为 2 HlogS 最大数据传输速率 1 N 位 秒 2 2Hlog V 最大数据传输速率位 秒 2 2 有导向的传输介质 2 2 2 双绞线 双绞线 twisted pair 两根绝缘铜线以 螺旋状的形式绞在一起 几乎所有的电话都是通过双绞线连接到交换局 双绞线可以延伸几公里而不需要放大 双绞线可以传输模拟信号和数字信号 其带宽 取决于铜线的直径和传输距离 几公里的传输 距离内可达几Mbps UTP Unshielded Twisted Pair 无屏蔽双绞 线 3类 category 3 双绞线 16MHz 5类 category 5 双绞线 100MHz 棕 白棕 白兰 白橙 白绿 绿 兰 橙 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 Brown White Brown Green White Blue Blue White Green Orange White Orange 568B Connection standard 568A 568B 2 2 3 同轴电缆 很高的带宽 可以达到1GHz 很好的抗噪性能 仍然广泛的使用于有线电视和城域网中 2 2 4 光纤 光纤传输系统 光源光脉冲 传输介质光纤 检测器光电转换 光纤传输的原理 光纤的分类 多模光纤 单模光纤 光纤的组成 玻璃 沙子 光纤的衰减 衰减的分贝数 用于光纤通信的三个波段 0 85 1 30 1 55um 每个波段有25000 30000GHz带宽 光纤的色散 光纤的组成 光纤的连接 在连接器上终止 并插入到光纤接口中 机械手段结合 熔合 光源 LED Light Emitting Diodes 发光二极管 半导体激光 波长选择 Fabry Perot干涉计 Mach Zehnder干涉计 光信号的接收 光敏二极管 典型的响应时间是1ns 限制数据传输率为 1Gbps 光纤网络 具有有源中继器的光纤环网 光纤网络 无源星型连接 光纤和铜线的比较 光纤vs铜线的优点 光纤具有宽的多的带宽 每公里衰减低 不受电源震荡 电磁波干扰 不受空气中腐蚀化学 物质侵蚀的影响 对电话公司的吸引力 细 重量轻 便宜 安全性 光纤vs铜线的缺点 对光纤的处理需要较高的操作技能 过度弯曲容易造成光纤损坏 单工 接口成本高 2 3 无线传输 2 3 1 电磁波谱 电子的运动产生电磁波 电磁波可以在空气中传播 电磁波每秒钟振动的次数称为它的频率f 相邻两个波峰 或波谷 间的距离称为它 的波长 光速 c f 电磁波的带宽 一般将功率集中在窄频带上传输 扩频通信 跳频扩频 直接序列扩频 2 2 dfc d c f 2 3 2 无线电传输 容易产生 可以长距离传输 易于穿透建 筑物 全方向 特性和频率相关 低频部分 穿透性好 但单位距离衰减大 频率越高 越倾向于 直线传播 穿透性变差 单位距离衰减 小 在VLF LF MF波段 无线电波沿地面传输 在HF VHF波段 地面波被地球吸收 到达 电离层 距地表100 500km 的波可以被 电离层折射回来 远距离通信 2 3 3 微波传输 在100MHz以上的频段内 电波几乎按直线传 播 微波系统 微波塔越高 微波能走的距离越远 塔高100m则 中继器间的距离可以为80km 微波对建筑物的穿透力不好 多径衰落 multipath fading 一直到10GHz的频带都被利用 4GHz左右 微 波会被雨水吸收 优点 相对便宜 电磁波谱政策 ITU R WARC 协调频率分配方案 The ISM Industrial Scientific Medical 工业的 科学的 医药的 非授权 小功率 扩频 2 3 4 红外线和毫米波 广泛用于短距离通信 方向性 便宜 易于制造 不能穿透墙壁 使用无需经过政府许可 2 3 5 光波传输 讲两个建筑物中的LAN通过屋顶上安装激光 连接起来 单项 两端都需要激光发生器和光检测器 低成本 高带宽 安装简单 无需政府许可 弱点 激光的强度 不能穿透雨和雾 气流也可以影响系统 2 4 通信卫星 人造卫星 天空中的微波中继站 多个异频发射应答器 每个异频发射应答器监听频谱的一部分 对进 来的信号进行放大 再在另一个频率上重新发 送出去 向下波束的覆盖范围 轨道周期随着轨道半径的3 2次幂变化 范艾伦带 2 4 1 地球同步卫星 GEO Geostationary Earth Orbit 地球同 步轨道 赤道轨道上方35 800km高度 同步卫星之间的距离不能小于2 ITU负 责分配轨道槽 频率分配 异频发射应答器之间 频分复用 每个异频发射应答器上 时分复用 VSAT Very Small Aperture Terminals 小孔终端 天线小 1m左右 功耗小 1W左右 上行链路19 2kbps 下行链路512kbps 通信卫星的一些特点 端到端延迟比较长 典型270ms 天生的广播介质 传输一跳消息的成本和经过的距离无关 错误率极低 部署快速 2 4 2 中间轨道卫星 中间地球轨道 Medium Earth Orbit 轨道周期大约 6小时 尚未应用于通信领域 GPS Global Positioning System 全球定 位系统 2 4 3 低轨道卫星 LEO Low Earth Orbit 低地球轨道 铱计划 66颗低轨道卫星 离地高度750km 提供语音 数据等服务 卫星之间交换 Globalstar Teledesic Teledesic通信卫星系统定位于提供全球化的 高带宽 的internet服务 计划为每位用户提供上行100Mb s 下行720Mb S的带宽 而每位用户则使用一个小的 VSTA天线完成 它设计使用288颗卫星 排列成为12 平面 位于距地高度1350KM 2 4 4 卫星vs 光纤 卫星同样可以提供很高的带宽 对移动通信的支持 对广播式信息的发布 恶劣地形或地面设施很差的地区 难于获得路权的地区 快速部署网络 2 5 公共交换电话网络PSTN 2 5 1 电话系统结构 公共交换电话网络 Public Switched Telephone Network PSTN 电话系统的结构 全连接 中心控制 多层分级 电话系统的三个主要部件 本地回路 双绞线 模拟信号 干线 光纤 数字信号 交换局 干线间的交换 数字vs 模拟 数字信号更容易再生 更适合承载多媒体业 务 高速率 低成本 更容易维护 2 5 3 本地回路 调制解调器 ADSL和无线 传输线路的三个主要问题 衰减 attenuation 信号在传输过程中的能 量损失 DB km 和频率相关 延迟畸变 delay distortion 信号不同频率 的傅立叶分量在线路上的传播速度不同 噪声 noise 一些来自于非发射器的多余能 量 热噪声 串扰 脉冲噪声等 当计算机希望通过模拟线路传送数字数据 的时候 必须将数据转换成模拟的形式 方波具有很宽的频谱 因而衰减和延迟畸变很 严重 基带信号不适合 必须进行模拟调制 载波 wave carrier 1000 2000Hz的正 弦波 调制方式 调幅 amplitude modulation 使用两种 或 多种 不同的振幅代表数字信息 调频 frequency modulation 使用两种不 同的频率 调相 phase modulation 通过改变载波的 相位 多种调制方式可以组合使用 以达到每次 采样尽量表达更多的信息 调制解调器 modem 一个设备接受一个位序 列作为输入 并且产生一个经过以上任意一种 或多种 方法调制的载波输出 或相反 波特率 每秒钟采样的次数 单位波特 baud 一个波特承载一个码元 symbol 波特率和码 元率相同 一个码元可以包含多个位 e g Quadrature Phase Shift Keying QPSK 正交相移键控 波特率越高 数据传输的速度越高 但是受到奈 奎斯特准则的限制 几个重要的概念 带宽 是介质的一种物理特性 指在最小衰减 的情况下能够通过这种介质的频率范围 通常 是从0到某一个最大的频率 单位是Hz 波特率 每秒钟的采样次数 单位Baud 位传输速率 指一条信道上发送的信息的数 量 取决于每秒的采样次数 波特率 和每个 采样的位数 取决于调制技术 对于无噪声 的理想信道 位传输速率等于波特率 每个采样 的位数 奈奎斯特准则 为了在每个波特中传输尽可能多的位 多 种调制方法可以组合使用 QPSK QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation 正交振幅调制 QAM 64 标准调制解调器 通常采用2400波特的采 样速率 V 32 32个星座点 32 QAM 每个码元传 输4个数据位和1个校验位 速率 2400 4 19600bps V 32 bis 128个星座点 128 QAM 每个 码元传送6个数据位和1个校验位 速率 2400 6 14 400bps V 34 每个码元传送12个数据位 速率 2400 12 28 8kbps V 34 bis 每个码元传送14个数据位 速率 2400 14 36 6kbps 所有的调制解调器都是全双工的 full duplex 标准的调制解调器截止于33 6kbps 电话系统的香农限制是35kbps 与本地回路的 平均长度和这些线路的质量有关 计算机 ISP1间存在两个本地回路 源端本地 回路和目的端本地回路 去掉一个 目的端 的本地回路 端到端的本 地回路长度减半 最大数据速率加倍 35kbps 70kbps 计算机 ISP2 V 90 56kbps的modem 采用8000波特的采样率 电话信道约为 4000Hz 每个采样的位数为8 其中7位是用户数据 1 位是控制 数据速率8000 7 56kbps V 90 上行33 6kbps 下行56kbps V 92 上行48kbps 下行56kbps 用户数字线路 DSL 用户数字线路 digital subscriber lines 调制解调器慢速的原因 局端的滤波器限 制了本地回路的带宽只有4000Hz 解决的方法 去掉局端滤波器 充分发挥 本地回路的全部承载能力 3类UTP用于带宽和距离的关系 DSL的设计目标 必须在现有的3类UTP上工作 不能影响现有的业务 必须提供高于56kbps的业务能力 服务总可用 按照月租方式收费 DMT Discrete MultiTone 离散的多信道调制 划分1 1MHz可用频谱 POTS Plain Old Telephone Service 传统的简单电话服 务 上行数据流 下行数据流 分为256个独立子信道 信道0用于POTS 信道1 5语音和数据的保护间隔 剩余250条信道中 两条做上行 下行控制外 全部用于用户 数据 每条信道内采样率4000波特 每个波特15 位 224条下行信道可达速率13 44Mbps ADSL Asymmetric DSL 非对称数字用 户线路 标准 下行8Mbps 上行 1Mbps 通常下行512kbps 上行64kbps 无线本地回路 无线本地回路 Wireless Local Loop WLL 为用户提供高速度Internet连接服务 便于安装指向端局的大的有向天线 用户从不移动 原本分配给教育台的频道 共198MHz 被回收 用于WLL 所提供的服务称为MMDS Multichannel Multipoint Distribution Service 多信道多点分发服务 技术成熟 设备现成 多用户共享带宽 带宽不富裕 LMDS Local Multipint Distribution Service 本地多点分发服务 工作频段28 31MHz 欧洲40GHz 带宽1 3GHz 毫米波具有很强的方向性 每个天线指向不同的 方向 对应一个扇形工作区 相互独立 传输范 围2 5km 非对称的带宽分配 每扇区36Mbps下行 1Mbps 上行 扇区中所有用户共享 每扇区支持的活动用户数不应超过9000个 LMDS存在的问题 毫米波直线传播 屋顶和塔之间必须有一条很清晰的 视线 树叶和雨水都会吸收毫米波 现有标准802 16 应用目标 数字电话 Internet访问 连接两个远 距离的LAN 电视和电台广播等 2 5 4 干线和多路复用 FDM Frequency Division Multiplexing 频分多路复用 频谱被分为频段 每个 用户可以单独拥有某个频段 广播电台 TDM Time Division Multiplexing 时分复 用 用户轮流获得整个带宽 每次仅使 用一小段时间 大会上的轮流发言 频分多路复用 12个4000Hz的语音信道复用到60 108kHz的频段中 称之为一个群 group 5个群复合成一个超级群 supergroup 5 10 个超级群复合成一个主群 mastergroup 波分多路复用 Wavelength Division Multiplexing WDM 2 5Gbps 8 20Gbps 2 5Gbps 40 100Gbps 96Gbps 10 960Gbps 通过WDM技术 在不同波长上并行运行多条信道 使得聚合起来 的带宽随信道数目线性增加 单根光纤带宽大约为25 000GHz 全光放大器 时分多路复用 只能用于数字数据 在端局有一个模 数转换 PCM Pulse Code Modulation 脉冲编码调 制 8 kHz采样速率 125us 每个采样8 bits 4kHz模拟话音信号 64kbps数字信号 T1线路 T1 carrier 北美和日本标准 8kHz采样速率 帧长125us 24条语音信道 每个信道 8比特 一个帧有24x8比特 另有一个用于同步的比特 位 每个帧中的比特数为24x8 1 193 线路速率为 193x8k 1 544Mbps 其中23个信道用于用户数据 第24 个信道用于特定的同步模式 在失去帧同步时可以快速恢 复 E1 除了北美和日本 每125us一帧 每帧中32个信 道 每个信道8位采样 其中2个信道用于信令 其余30个 信道用于用户数据 线路速率为32x8x8000 2 048Mbps 多个T1线路可以被复用到更高阶的线路上 减少每条信道所需要的位数 差分脉冲调制 增量调制 预测编码 SONET SDH SONET Synchronous Optical network 同步 光纤网 SDH Synchronous Digital Hierarchy 同步 数字序列 设计目标 必须使不同的承运商可以协同工作 统一美国 欧洲和日本的数字系统 复用多条数字信道 必须支持运行 管理和维护 OAM SONET的帧组成 每125us 810字节的数据块 9行 90列 每个单元1个字节 前三列保留用于系统管理 前三行为段开销 后六行为线路开销 87列用户数据 Synchronous Payload Envelope 第一列为路径开销 其余为用户数据 速率 线路速率 90 x9x8x8000 51 84Mbps STS 1 SPE速率 87x9x8x8000 50 112Mbps 用户数据 86x9x8x8000 49 536Mbps SONET帧背靠背传输 帧间无间隔 每帧的前两个字节有固定的模式用于同步 SPE可以从帧内任何一个位置开始 可以跨越两个帧 SONET复用层次 OC 3和OC 3c 2 5 5 交换 Switching 电路交换 Circuit Switching 分组交换 Packet Switching 分组 packet 的大小一定 在每一个中间交 换结点 router 首先被存储 再转发到下一 个结点 存储转发方式 store and forward 报文交换 性能参数 链路利用率 数据时延 电路交换和分组交换的比较 2 6 移动电话系统 无线电话 无绳电话 cordless phone 移动电话 蜂窝电话 cell phone 第一代 模拟语音 第二代 数字语音 第三代 数字语音和数据 2 6 1 第一代移动电话 模拟语音 1964年 按钮启动式通话系统 20世纪60年代 IMTS Improved Mobile Telephone System 改进的移动电话系 统 1982年 AMPS Advanced Mobile Phone System 高级移动电话系统 每个地理区域分成许多蜂窝单元 cell 每个cell跨度10 20km 每个蜂窝单元使用一组频率 并且这组频率在相邻蜂窝中不再使用 保证良好的隔离性和较低的干扰 较小的蜂窝单元可以增加系统容量 基站 base station 位于蜂窝中心 所有的电话都直接和基站通信 基站和MTSO Mobile Telephone Switching Office 连接 系统内的MTSO形成类似PSTN的多级连接 MTSO和基站之间进行通信 并利用一个分组交换网络与PSTN连接 AMPS利用FDM间隔信道 共有832个全双工信道 每个信道由一对单工信道组成 832个发送信道的频率范围824 849MHz 832个接收信道的频率范围869 894MHz 每个单工信道的带宽为30kHz 相邻蜂窝不能使用同样的频率 实际可用的语音信道 为45个左右 信道的分类 控制 基站 移动电话 用于管理系统 呼叫 基站 移动电话 用于提醒用户呼叫到来 访问 双向 用于呼叫建立和信道分配 数据 双向 用于语音 传真和数据 呼叫管理 移动电话A 基站 我在你的服务区 用户拨号 被叫号码B 主叫号码A 基站 我 是A 帮我呼叫B 访问信道 MTSO寻找一条空闲信道f 基站 移动电话A OK 请切换到频率f 控制信道 被叫方的主MTSO 被叫方所在蜂窝基站 所有区内移动电话 B 在不在 移动电话B 基站 我在 基站 移动电话B 有人在频率f上呼叫你 2 6 2 第二代移动电话 数字语音 D AMPS The Digital Advanced Mobile Phone System 数字的高级移动电话系统 国际标准IS 54和IS 136 AMPS兼容 可以动态改变信道类型 模拟 数字 新加入1900 MHz频段 上行1850 1910MHz 下行1930 1990MHz 声音被数字化并压缩 PCM编码降到8kbps以下 多个用户可以通过TDM共享一对频率 每25ms一帧 每帧40ms 分为6个时槽 每个时 槽6 67ms 324位长 三个用户轮流使用 单向速率 总速率 324x6x25 48 6kbps 语音数据 159x50 7 95kbps 6个用户的情况 GSM Global System for Mobile communication 全球移动通信系统 GSM和D AMPS 相同点 都是蜂窝状的系统 都使用频分复用 用一对频率提供全双工信道 同一信道上利用TDM多个用户共享 不同点 GSM提供200kHz带宽 D AMPS提供30kHz带宽 GSM 124对单工信道组成124个全双工信道 每个信道带宽200kHz 使用TDM支持8个独立连接 GSM的复帧 一个数据帧持续547us 148位 信道总的传输速率270kbps 每用户速率33 854kbps 能达到24 7kbps 13kbps的语音 8个数据帧构成1个TDM帧 26个TDM帧构成一个120ms的多帧 其中有24个给用户使用 GSM中的控制信道 广播控制信道 移动站发现基站 专用控制信道 位置更新 注册和呼叫建立 公共控制信道 呼叫信道 移动站监听以获知有呼叫到达 随机访问信道 允许用户在专用控制信道上请求一 个时槽 访问授权信道 宣告在专用控制信道中被分配的时 槽 CDMA Code Division Multiple Access 码分多路访问 国际标准IS95 被认为是最佳的技术方案 是第三代移动通信 的基础 CDMA和TDM FDM CDMA并不将整个可用的频率范围分成窄的信 道 允许每个站在任何时候都可以在整个频段 范围内发送信号 假设信号可以线性叠加 利 用编码技术可以将多个并发的传输过程分开 CDMA系统的工作原理 将每一位时间 bit time 分成m个时间间隔 称为时间片 chip 每一个站分配一个唯一的m位代码 称为时间 片序列 chip sequence 传送1时 发送该站的时间片序列 传送0时 发送该站的时间片序列的补码 对系统带宽的要求增加了m倍 b mb 每个站都有唯一的时间片序列 所有的时间片序列两两正交 即任何两个不同的 时间片序列S和T归一化内积S T为0 即在S和T 的分量中 对应分量相等的数目与不相等的数目 一样多 1 1 0 m ii i S TST m 00S TS T 1