高级计算机网络cha

ThePhysicalLayer,Chapter2,2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication,InformationMeasuresFourierAnalysisBandwidth-LimitedSignalsMaximumDataRateofaChannel,2.1.0InformationMeasures,信息是个抽象的概念，表示带给人们的新知识。它同头脑中已有的知识关系密切。在预料之中的事情就不含什么信息量。一个消息所含的信息量，与它的发生可能性，或者说出现的概率密切相关的。如果有离散的随机变量X=(x1,x2,xn)其中事件xi发生所带来的信息量I（xi），直接与事件xi的出现概率P（xi）相关。,2.1.0InformationMeasures,所含信息量应该是出现概率的函数I（xi）=fP（xi）如果信源发出两个消息，所获得的总信息量是两项之和。事件上两个事件的联合概率是两个事件出现概率的乘积P(x,y)=P(x|y)P(y)其中P(x|y)表示出现的y前提下出现x的概率。将乘积关系转换成相加关系是对数函数形式。,2.1.0InformationMeasures,信息量的度量方式I（xi）=FlogaP（xi）由于事件的出现概率总不大于1，为了不使信息量成为负值，应该取概率的倒数来计算信息量I（xi）=logaP（xi）-1=-logaP（xi）对数函数的底数a决定计算信息量的单位-log2P(xi)(bit)-lnP(xi)(nat)-log10P(xi)(hartley)1nat1.45bit,1hartley3.32bitP(xi)值很小，信息量很大；常见事件的出现只带来很少的信息量。可见上述定义是符合常人观念的。,2.1.1FourierAnalysis,任何周期为T的函数g(t):上式中f=1/T是基频，an和bn是正弦和余弦函数n次谐波的振幅,2.1.1FourierAnalysis,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,数据通信中的信号都是有限带宽信号。例“b”的ASCII码011000100当0tT/8,3T/8t3T/4,7T/8tTg(t)=1当T/8t3T/8,3T/4t7T/8求g(t)的付氏变换得到下列系数,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,(an2+bn2)在频率nf处传送的能量传输设备对不同的付立叶分量的衰减程度不同（信号发生畸变的原因）频率fc内的谐波无衰减；频率fc的谐波衰减很大。其中fc称为信号的截止频率（衰减的原因：介质的物理特性和线路上的滤波器）,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,数据传输率与线路信号速率的关系（比特率）bit/s(波特率)BaudRbRBRb=RBlog2V其中V为信号电平级数（码元数）通常V=2时，（0，1）此时Rb=RB,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,设比特率bbit/s,发八位信息所需的时间T=8/b(s)一次谐波频率f=1/T=b/8(Hz)电话系统fc3000Hz线路允许通过的最高谐波次数:n=fc/f=24000/b,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,Abinarysignalanditsroot-mean-squareFourieramplitudes.(b)(c)Successiveapproximationstotheoriginalsignal.,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,(d)(e)Successiveapproximationstotheoriginalsignal.,2.1.2Bandwidth-LimitedSignals,Relationbetweendatarateandharmonics.,2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel,（1）Nyquist定理无噪声的低通信道，若带宽为H（Hz），信号电平为V级，则最大数据传输率=2Hlog2Vb/s（2）Shannon定理S：信号功率N：噪声功率S/N称为信噪比(通常10log10S/N(dB),例S/N=1000则为30dB)信噪比为S/N的信道，若带宽为H（Hz），则最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)b/s,2.2GuidedTransmissionMedia,MagneticMediaTwistedPairCoaxialCableFiberOptics,2.2.1MagneticMedia,Magnetictape8mm:7GBDisk1.44MB,2.2.2TwistedPair,电话线一对平行线，抗电磁干扰能力差（线间电容存在），传送模拟信号。网络与用户侧接口时，市内DDN线路采用。,2.2.2TwistedPair,双绞线（TwistedPair）芯线为软铜线，线径为0.41.4mm不等，好处是可减少相邻线对间的电磁干扰。分为8芯与4芯两种：RJ-45，RJ-11接头。分为无屏蔽双绞线（UnshieledTwistedPair:UTP）和屏蔽双绞线（ShieledTwistedPair:STP）两类，通常使用UTP,2.2.2TwistedPair,EIA-568标准有三类UTP：3类：UTP及其端接设备的传输特性定义为16MHz4类：UTP及其端接设备的传输特性定义为20MHz5类：UTP及其端接设备的传输特性定义为100MHz3类和5类的关键区别在于单位距离上的螺旋次数。而同类STP的信号衰减要小，但价格较贵。,2.2.2TwistedPair,EIA-568标准又增加二类UTP：6类：UTP及其端接设备的传输特性定义为250MHz(1000BASE-T以太网)7类：UTP及其端接设备的传输特性定义为600MHz(10G以太网),2.2.2TwistedPair,(a)Category3UTP.(b)Category5UTP.,2.2.3CoaxialCable,Acoaxialcable.,2.2.3CoaxialCable,基带同轴电缆（BasebandCoaxialCable）传送数字信号，距离小于1000米时，12Gbps特性阻抗50欧：粗电缆（RG11）抗电磁干扰性能好，500米，10Mbps细电缆（RG58）价格便宜，185米，10Mbps特性阻抗93欧：（RG62）ARCNET使用，20Mbps,2.2.3CoaxialCable,宽带同轴电缆（BroadbandCoaxialCable）“宽带”指比4kHz宽的频带，计算机网络领域是泛指使用模拟传输的电缆网。特性阻抗为75欧，常用的CATV电缆，在传模拟信号时，频带高达300450MHz，距离可达100公里。,2.2.3CoaxialCable,传数字信号时，必须将其转换成模拟信号，一比特占一至四赫兹的带宽。带宽为300MHz的CATV电缆可支持150Mbps。通常传一路电视节目占6MHz的信道。宽带系统中要用放大器来放大模拟信号，而放大器只能单向工作，因此双工传输中，一定要有数据发送和接收两条分开的数据通路。,2.2.4FiberOptics,(a)Threeexamplesofalightrayfrominsideasilicafiberimpingingontheair/silicaboundaryatdifferentangles.(b)Lighttrappedbytotalinternalreflection.,2.2.4FiberOptics,光脉冲有无表示逻辑值“1”和“0”可见光的频率大约为108MHz，光传输系统可用带宽极大。光传输系统：光纤（石英玻璃/二氧化硅（silica），光源（发光二极管（LED），半导体激光器），检测器（光电二极管）,AcomparisonofsemiconductordiodesandLEDsaslightsources.,2.2.4FiberOptics,多模光纤（MultiModeFiber）:含有许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输。多模光纤的频带较窄，传输特性较差距离2公里，可达100Mbps,校园网的主干网传输介质,2.2.4FiberOptics,单模光纤（SingleModeFiber）:光纤的直径与光波波长相等，光像波导沿直线传播。光纤传输特性：1）损耗：光信号在光纤中传播时单位长度的衰减2）色散：光信号到达接收端的时延差（即脉冲展宽）,2.2.4FiberOptics,单模光纤的频带较宽，传输特性较好（0.2-0.5dB/km,2.4Gb/s,色散几乎为零），与光源耦合和连接较难，价贵，通信网主干线上采用。数据速率在实验上可高达100Gbps。,2.2.4FiberOptics,1998年ATunitnumberchannelnumber,Theshortcomingoffirstgeneration,频谱利用率低，容量有限；制式太多，互不兼容，不利于用户漫游，限制了用户覆盖面；提供的业务种类受限，不能传数据信息；容易被窃听；不能与ISDN兼容,2.6.2Second-GenerationMobilePhones:DigitalVoice,D-AMPSGSMCDMAPDC(PacificDigitalCommunication)PCS(PersonalCommunicationsService),D-AMPSDigitalAdvancedMobilePhoneSystem,D-AMPS:thesecondgenerationoftheAMPSsystem.D-AMPS:fullydigital.channeltypesdynamicallychangeupstreamchannels:18501910MHz,D-AMPSDigitalAdvancedMobilePhoneSystem,downstreamchannels:19301990MHzD-AMPSphone:850-MHz,1900-MHzvocoder:inthetelephone,(56k)8kbpsorlessMAHO(MobileAssistedHandOff):300ms,D-AMPSDigitalAdvancedMobilePhoneSystem,(a)AD-AMPSchannelwiththreeusers.(b)AD-AMPSchannelwithsixusers.,GSMGlobalSystemforMobileCommunications,Eachfrequencyband:200kHz(D-AMPS:30kHz)Upstreamchannels:890.2914.8MHzDownstreamchannels:935.2959.8MHz124pairsofsimplexchannels(200kHz),GSMGlobalSystemforMobileCommunications,Eachchannel:eight-slotTDMsystem148-bitdata:000info(57-bit)v/dsync(26-bit)v/dinfo000TDMframe:8dataframesMultiframe:26TDMframes(120ms)24framesusertraffic,GSMGlobalSystemforMobileCommunications,51-slotmultiframe(formanagement)broadcastcontrolchannelbasestationoutputidentityandchannelstatusdedicatedcontrolchannel,GSMGlobalSystemforMobileCommunications,forlocationupdating,registration,andcallsetupcommoncontrolchannel:3logicalsubchannelspagingchannelrandomaccesschannelaccessgrantchannel,GSMGlobalSystemforMobileCommunications,GSMuses124frequencychannels,eachofwhichusesaneight-slotTDMsystem,GSM(2),AportionoftheGSMframingstructure.,CDMACodeDivisionMultipleAccess,在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常m是64或128。为说明原理，设m=8每个站被指定一个惟一的m比特码片序列。当发送比特1时，就发送它自己的m比特码片序列，而发送比特0时就该m比特码片序列的二进制反码。例如，S站的8比特码片序列是00011011，当发1时就发送00011011，当发0时就发送11100100。,CDMACodeDivisionMultipleAccess,为方便讲解，采用双极型的形式，将0由-1代替，1由+1代替。S站的码片序列是（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）。设S站发送数据速率为bbps。要每一个比特m比特码片序列，实际上发送数据速率就要提高到mbbps。同时占的频宽也得提高m倍。这就是扩频通信(spreadspectrum)中的一种：直接序列(directsequence)。另一种是跳频(frequencyhopping)。,CDMACodeDivisionMultipleAccess,每个站有惟一的码片序列。用向量S表示站S的码片向量，S为它的反。两个不同站的码片序列正交，即向量S和T的内积为0：ST=(m)-1SiTi=0SS=(m)-1SiSi=(m)-1Si2=(m)-1(1)2=1SS=-1,CDMACodeDivisionMultipleAccess,若两各或两个以上的站同时开始发送，它们的双极性信号就线性相加。比如，在某一个码片内，3个站输出+1，一个站输出-1，结果输出+2。（可以看成电压相加）例如，4个站的码片序列,CDMACodeDivisionMultipleAccess,(a)Binarychipsequencesforfourstations(b)Bipolarchipsequences(c)Sixexamplesoftransmissions(d)RecoveryofstationCssignal,Thecharacteristicsofsecondgeneration,第二代数字移动蜂窝通信系统除了在第一代模拟移动通信的基础上进一步提高了频谱利用率、扩大系统容量并增加非话音业务外，还把IC卡（即SIM卡）技术应用于其安全保密措施之中，原则上杜绝了移动通信中的“盗号”与“扒机”现象。IC卡的应用为移动电话的安全使用起到了关键性的作用。,Thecharacteristicsofsecondgeneration,b)由于超大规模集成技术的应用，移动台和基站的体积、重量和功率可以大大降低，同时手机的升级换代迅速，各项功能极为丰富，品牌和式样也较多。特别是中文字幕手机和国产手机的流行，以及包括记事簿功能、个人数字处理功能、游戏、寻呼等多功能手机的开发与应用。,2.6.3Third-GenerationMobilePhones:DigitalVoiceandData,除了传语音和数据外，还能传2Mbps高质量的活动图像真正实现：Whoever（任何人）Wherever（任何地点）Whenever（任何时间）Whomever（任何对方）Whatever（任何形式）通信,2.6.3Third-GenerationMobilePhones:DigitalVoiceandData,IMT-2000(InternationalMobileCommunication)2000stoodforthreethings2000begingoingintoserviceTooperateat2000MHzBandwidth:2000kHz,2.6.3Third-GenerationMobilePhones:DigitalVoiceandData,BasicservicesanIMT-2000networkshouldprovideHigh-qualityvoicetransmissionMessaging(replacee-mail,fax,SMS,chat,etc.)Multimedia(music,videos,films,TV,etc.)Internetaccess(websurfing,w/multimedia.),2.6.3Third-GenerationMobilePhones:DigitalVoiceandData,以美国Qualcomm公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用CDMA技术的系统实现方案。通过理论分析和不断的现场实验，证明CDMA具有许多TDMA技术所没有的独特的属性，并认为CDMA是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期模拟系统容量不足的问题，也是一种通往个人通信的长期解决办法。,2.6.3Third-GenerationMobilePhones:DigitalVoiceandData,提出的无线传输方案：10种地面技术，6种卫星10种地面技术：有8种FDD（频分双工）6种TDD（时分双工）ITU对上述方案进行了必要的技术融合，最终形成最具代表性的IMT-2000技术标准，其中所涉及的CDMA技术可以分为3类：WCDMA（WidebandCDMA):1-5CDMA2000:7-8TD-SCDMA:6,WCDMA,UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)在5MHz带宽内使用3.84Mcps的码片速率采用多种技术（快速功率控制，时分复用导频信号，自适应天线等）来提高系统容量，对一般话音业务至少提高两倍。最高可支持2Mbps的数据业务；支持在一条连线上传输多条并行业务；支持高速率的分组接入。,WCDMA,共享功率使WCDMA能灵活地处理具有不同速率的业务对不同的QoS要求的业务进行不同的信道编码带宽不同的电路交换和分组交换业务可自由组合采用更加灵活的系统操作：支持基站间的异步操作；支持非平衡频带下采用TDD,CDMA2000,为支持更高传送速率和增加系统容量采用Turbo码支持多种范围的射频信道带宽:1.25/3.75/7.5/11.25/15MHz快速的前向和反向空中接口的功率控制无线接口在提高系统性能和容量上有明显的优势,TD-SCDMA,由信产部电信科技研究院（CATT）和德国西门子公司合作开发的。它的目标是要确立一个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统。采用软件无线电技术进行业务模式的转换采用智能天线技术来降低了小区间干扰，提高了传输容量支持所有的无线网络结构,TD-SCDMA,最佳适应于实现无线因特网可变化的用户数据速率：8kbps2Mbps由Besteffort(2G)向QoS(3G)演变1.28Mcps的TDD模式,2.7CableTelevision,CommunityAntennaTelevisionInternetoverCableSpectrumAllocationCableModemsADSLversusCable,CommunityAntennaTelevision,thesystemconsistsof:Antenna:pickingupdistantsignalsHeadend:anamplifierCoaxialcableTapDropcable,CommunityAntennaTelevision,Anearlycabletelevisionsystem.,InternetoverCable,HFC(HybridFiberCoax)systemFibernode:electro-opticalconverterHeadend:CATVheadend,digitalheadendAmplifier:one-way,two-waySharingcable:splittinguplongcablesintocablesegments,InternetoverCable,Cabletelevision,InternetoverCable(2),Thefixedtelephonesystem.,2.7.3SpectrumAllocation,Frequenc