CH2-L4 介质-复用-接入网.ppt

1、第4讲 数据通信基础(2),【第2章 物理层（第2讲）】,复习（快速提问1）,第一章的重点是什么？ 分组交换及其特点 网络体系结构的特点 什么是协议 什么是协议数据单元 物理层的作用 数据链路层的作用 网络层的作用 传输层的作用 上讲的重点是什么？,上讲要点复习（快速提问2）,物理层的作用、四类特性 信息、数据和信号 模拟量与数字量 链路、信道 模拟传输、基带传输 模拟通信、数据通信和数字通信 基带通信、载波模拟通信,本讲预习情况检查（快速提问3）,传输介质分类 应用状况 三种有线传输介质外特性 双绞线 同轴电缆 光纤 无线介质特点 什么是信道复用 哪三种基本的信道复用技术 什么是接入网 AD

2、SL的使用环境 HFC的使用环境,本讲内容及其安排,1. 传输介质（ 2.3 ） 2. 信道复用技术（2.4） 2.1 频分复用 2.2 时分复用和统计时分复用 2.3 波分复用 2.4 码分复用 3. 宽带接入技术（2.6） 3.1 xDSL技术 (2.6.1) 3.2 光纤同轴混合网HFC 网 (2.6.2) 3.3 FTTx 技术 (2.6.3),教材分析和处理,传输介质： 教材：介绍了光通信原理 讲课：主要从应用角度介绍外特性 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 教材：2.5.2 讲课： 通信专业：其它课程深入学习 计算机专业：自学了解,1. 传输介质（ 2.3 ）,传输媒体传输

3、介质：传输电信号或光信号 要求：了解介质的类型、应用状况、外特性 传输介质分类 应用状况 三种有线传输介质外特性 双绞线： 同轴电缆： 光纤 无线介质特点,传输介质基本分类,有线传输介质(导向、有界)： 双绞线： 非屏蔽双绞线 (UTP:unshielded twisted pair) 屏蔽双绞线 (STP:shielded twisted pair) 同轴电缆： 基带同轴电缆 宽带同轴电缆 光纤 单膜光纤 多模光纤 无线传输介质(非导向、无界)： 短波、微波（地面、卫星）、红外线、激光等,应用状态,早期的主流：同轴电缆 目前的主流：光纤、双绞线、无线 楼间：光纤 楼内：双绞线,1.1 同轴电

4、缆（简单了解）,两类同轴电缆及其传输特性 50同轴电缆(又称为基带同轴电缆)： 用于数字传输，传输速率100M 粗缆：早期使用（目前已不使用） 细缆：后来推广（目前很少使用） 75同轴电缆(又称为宽带同轴电缆)：可以传输模拟信号和数字信号，带宽300450M,1.2 双绞线,双绞线：两根相互绝缘的导线按一定扭距绞合在一起 （扭绞：减小电磁干扰的影响） 传输特性：可以传输模拟信号和数字信号 连通性：一般用于点点连接，有时用作多点连接 地理范围：模拟信号可以传输几到十几公里， 基带信号(局域网)，不超过100米 抗干扰性能：低频时好 价格：便宜、安装方便 双绞线电缆： 封装了多对双绞线,为提高抗干

5、扰性，可以加屏蔽层,非屏蔽双绞线 (UTP:unshielded twisted pair) 屏蔽双绞线 (STP:shielded twisted pair),双绞线的接头,引脚序号： 金属片面对我们， 从左至右 引脚序号是1-8,1 2 3 4 5 6 7 8,双绞线的接头,EIA/TIA标准规定了两种双绞线线序 568A标准：绿白-1，绿-2，橙白-3，蓝-4， 蓝白-5，橙-6，棕白-7，棕-8。 568B标准：橙白-1，橙-2，绿白-3，蓝-4， 蓝白-5，绿-6，棕白-7，棕-8；,1.3 光纤（光缆）,已经在主干线上普及 光缆：多条光纤（ 4、8、16芯等）的组装 光纤光导纤维熔

6、硅纤维光导玻璃 可以传输光信号（光波）的光导纤维，石英玻璃丝 材料：掺加锗和磷的二氧化硅（透明） 直径：8 10 m。 光信号运载信息 1：有光脉冲 0：无光脉冲,光缆示意图,光纤的外特性,传输特性： 带宽大(通信容量大) ：Gbps数量级 速率的限制在于光电转换速度跟不上 传输损耗小，传输距离远 2.4Gbps速率传输100km，不需要中继（单模） 连通性：用于点点连接，多点连接尚在实验 地理范围：可达几十公里 抗干扰性：强 不受雷电等电磁干扰和静电干扰、无串音干扰。 物理特性：体积小，重量轻（外套大、重）。 价格：原料丰富，按带宽单价非常便宜。 缺点：连接、安装、收发器贵；维护复杂,光信道

7、,光信道由三部分组成： 光源：将电信号转换为光信号(光脉冲) 光纤传输介质 检测器：将光信号转换为电信号(电脉冲) 光源： 发光二极管：用于多模光纤 激光二极管：用于单模光纤,多模光纤与单模光纤,多模光纤（Multi-mode Fiber）： 传输距离较近；收发器便宜 纤芯直径大 光纤中有多种沿不同途径同时传播的光(存在多条不同角度入射的光线) 单模光纤（ Single-mode Fiber）。 传输距离远；收发器贵 可以波分复用 纤芯直径小(与波长相当，几微米) 光在光纤中的传播没有反射，沿直线传播,光纤传输的基本工作原理-了解,1.光线从一种介质穿过另一种介质时，发生折射。 折射量取决于两

8、种介质的折射率。 2.光线从高折射率媒体射向低折射率媒体时， 其折射角将大于入射角。,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤传输的基本工作原理（续）,3.包层的折射率比光纤的折射率低，只要光从纤芯射到纤芯表面的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射，不会漏入包层。这样，光线将被完全限制在光纤中，几乎无损耗地传播。,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,单模光纤：直线传播,多

9、模光纤与单模光纤,多模光纤：多次折射,1.4 无线介质（非导向传输媒体）简介（ 2.3.2 ）,优点 不需布线 适用于地形复杂、建筑物多的城区 主要形式 地面通信 微波（接力）通信 红外线通信 激光通信 篮牙通信 卫星通信,微波通信,技术特征 微波是频率在2GHz-40GHz的信号 微波在空间主要是直线传输 长途通信时必须建立多个中继站 主要优点 频率高，频率范围宽，信道容量大 受工业干扰和雷电干扰小 主要缺点 中间不能有障碍物（直线传播，没有绕射功能） 隐蔽性和保密性差,红外线通信和激光通信,特点 比微波通信具有更强的方向性； 难以窃听、插入数据和进行干扰； 对雨雾等环境干扰特别敏感。,篮牙

10、通信,蓝牙技术：近距无线通信技术 传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段 提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。 发展 始于1994年Ericsson的手机及其附件间的通信计划， 1998年，蓝牙技术协议由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等5家公司达成一致。 蓝牙协议的标准版本为802.15.1 可能称为替代红外的技术 传输距离和速度都比红外的性能强，而且方便。,卫星通信,信号发射到卫星上，经放大转发给地面接收站 优点： 覆盖面积大、通信距离远、通信容量大 通信费用与通信距离无关 不易受陆地灾害影响 信号受到的干扰较小，误码率也较小 通信比较稳定

11、可靠。 缺点： 传播时延较长（两地球站间电磁波传播距离有7.2万Km ） 天线受太阳噪声的影响 技术较复杂 价格较贵,2、信道复用技术 （ p47 2.4）,一般，一条线路的能力（带宽）超过一对用户传输信息所需的能力 为提高线路利用率，让多个信号同时用一条物理线路传输。 多路复用技术： 多对设备在同一条传输介质上同时进行通信。,信道复用技术,复用(multiplexing) 的概念,共享信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,信道复用技术分类,频分复用 FDM(Frequency

12、Division Multiplexing) 时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 光通信的“频分复用” 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 不同用户在同样的时间使用互不干扰的码型传送数据,2.1 频分复用（FDM）,用于载波模拟通信 将信道的频带分为若干段（子频带），每段分给一对用户， 不同的用户同时以不同的频率传输。 多路复用器：将不同的用户信号调制到不同频率的载波信号上 多路译码器：通过带通滤波器分解出不同频率的信号，再将其转换为二

13、进制信号。,频分复用,所有用户同时占用不同的带宽资源 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 电话长途干线最初采用频分复用传输方式,2.3 时分复用（TDM）,类似计算机的分时系统 为了有效利用信道 将物理信道按等长时间T分段 （称为TDM帧，时分复用帧） 再将每段时间T分为若干个时间片 (time slot) 每个时间片分给一对用户 二类时分复用 静态分配：给每个用户在一个 TDM 帧中分配固定的一段时隙 动态分配：按需分配,静态时分复用（TDM）,例如，电话系统,静态时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,例：E1电话系统（中国采用）,

14、语音带宽4k，周期T=1/8K=125us(采样频率8k) ，128级量化，所以每125us只需7位 125us为一帧，分为32个时间片 ，每个传送8位，其中 30个传输30路电话 2个用于控制（每帧开始8位作同步用，中间有8位用作信令） 全帧256位。 物理信道数据传输速率为256125us=2.048Mbps,静态时分复用的缺点,计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率不高，可能造成线路资源的浪费 。,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,浪费的资源,静态时分与动态时分

15、,静态分配：每个用户在一个 TDM 帧中占用固定的一段时隙 动态分配：按需分配 争用（见局域网） 异步时分、统计时分STDM等 （自学）,统计时分复用 STDM (Statistic TDM),时间片不是固定分给某个用户，用户有数据发送时，才分配时间片； 每个内的数据，需要有目的地址等控制信息（开销）,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,2.3 波分复用 WDM 简介（ 2.4.2 ）,光的波分复用类似于频分复用。将光信道划分为多个波段，在同一时刻能进行多路传送。,8 路传输速率

16、均为2.5 Gbit/s的光载波，将1310 nm波长分别变换到1550 1557 nm,光调制器,光调制器,2.4 码分复用 CDM（ P51 2.4.3 ）,CDMCode Division Multiplexing码分多址CDMACDM Access 是一种用于移动通信系统的新技术,主要特征,多对用户同时使用同样的频带进行通信（频率和时间资源均为共享）。 每个用户使用不同的码型(码片序列)，而这些码型经过特殊挑选， 彼此不会造成干扰 有很强的抗干扰能力，数据传输可靠性高 安全性好（频谱类似于白噪声，不易被敌人发现） 通信系统容量大（是GSM的45倍） 要求的发射功率低,对比,多对用户同时

17、使用一个信道进行通信 时分复用：时间不同，频率共享 频分复用：频率不同，时间共享 码分复用：频率和时间均为共享。,扩频通信的概念(见通信专业课),CDMA的技术原理是基于扩频技术 扩频通信的理论依据和基本思想 香浓公式：C = WLog2(1+S/N) 当传输速率C一定时，增加信号带宽W可以降低对信噪比S/N的要求 扩频通信用宽带传输技术来换取信噪比 在发送端扩展信号频谱 在接收端解扩还原信息,基本原理,将每个比特时间划分为 m 个短的间隔 (m 个码片chip) 用m个码片作为一个传输码元 称为码型、特征码、码片序列chip sequence： 码型的描述：将码型中的0写为-1、1写为+1

18、00011011 可记为 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) 即，向量 S 为 (1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 码型用来将传输的信息转换为扩频信息,基本原理,基于码型分割信道： 每个用户使用（唯一的）不同的码型 如： S站，00011011 T站：00101110 不同用户的码型满足正交性 ： 同时发送时彼此不会造成干扰,码型分配的要求之一：正交（了解）,任两个站的码型正交(orthogonal) ： 这两个码型S、T的规格化内积为 0,设，向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)， 向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 代入(2-

19、3)式，这两个码型是正交的。,(2-3),重要特性（了解）,任何一个码型向量和自己的规格化内积都是1,码型向量和该向量反码的规格化内积值是 1,发送前：扩频,原理：发送“数据比特和本站码型的乘积”，有： 发送 1，则发送本站的码型。 发送 0，则发送本站的码型的反码。 Sx：S站发送的扩频信号 S站：1为00011011，0为11100100,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,数据码元比特,码元1,码元2,码元3,接收（结论）,将发送站的码型与收到的数据求“内积” 内积1： 发送站发送的信息为“1” 内积1：发送站发送的信息为“0” 内积0： 发

20、送站没有发送数据,接收原理说明,设有三个站，码型分别A、B、C，它们发送的数据bit为Ab、Bb、Cb 发送的扩频信号分别为Ax、Bx、Cx； 接收站接收的信号Yx为Ax、Bx、Cx的叠加 Yx=Ax+Bx+Cx 若希望接收A站的信息AYxA (Ax+Bx+Cx )= AAx+ABx+ACx = AAAb+ABBb+ACCbAb+ 0 + 0,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发 送 端,接 收 端

21、,码元1,码元2,码元3,3 宽带接入技术 （p56， 2.6）,网络使计算机普及到千家万户，如何提供宽带接入？ 新建宽带接入（计算机公司） 利用现有的模拟电话用户线（已经普及到千家万户）（电信公司） 利用现有的利用现有的有线电视网（已经普及到千家万户）（广电公司） xDSL （ Digital Subscriber Line，数字用户线）技术: 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。 光纤同轴混合网 对现有的有线电视网进行改造，使它能够承载宽带业务,3.1 xDSL技术简介 (p56, 2.6.1),xDSL 技术： 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能

22、够承载宽带业务。 是接入网技术 标准模拟电话信号的频带： 3003400 kHz 用户线实际可通过的信号频率超过 1 MHz。 xDSL 技术 把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用 把原来没有被利用的高端频谱用作用户上网。,xDSL 的几种类型,xDSL 的前缀 x : 表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)： 非对称数字用户线 HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线 SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线 VDSL (Very high speed DSL

23、)：甚高速数字用户线 DSL ：ISDN 用户线 RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率 P57，表2-5，几种xDSL的主要指标,ADSL 的特点,用户上网的特征：下载数据多于上传数据 上行上传，指从用户到 ISP 下行下载，指从 ISP 到用户 ADSL将上行和下行带宽做成不对称。 实现ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT调制技术 (Discrete Multi-Tone) 。 “多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。,DMT调制技术,用

24、频分复用方法，把 40 kHz 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道 每个子信道 约4 kHz 带宽，用不同的载波进行数字调制。 25 个子信道用于上行信道， 249 个子信道用于下行信道。,ADSL 的组成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用户线,电话 分离器,区域宽带网,至 ISP,居民家庭,基于 ADSL 的接入网,端局或远端站,DSLAM,至本地电话局,PS,PS,DSLAM (DSL Access Multiplexer)：数字用户线接入复用器 ATU (Access Termination Unit)： 接入端接单元（即，ADSL调制解调器） ATU-C（C

25、 代表端局 Central Office） ATU-R（R 代表远端 Remote） PS (POTS Splitter) ：电话分离器,ADSL 的数据率,问题：用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等），因此 ， ADSL 采用自适应调制技术，使用户线具有尽可能高的数据率，不能保证固定的数据率。 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。 根据测到的信号的信噪比，选择调制方案，获得不同的数据率 对于质量很差的用户线无法开通 ADSL。 通常 下行数据率在 32 kb/s 到

26、 6.4 Mb/s 之间 上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。,ADSL 的极限传输距离,ADSL 极限传输距离与数据率、用户线的线径有关 例如，0.5 毫米线径的用户线 传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里 传输速率为 6.1 Mb/s 时，传输距离为 3.7 公里。 例如， 0.4毫米线径的用户线 传输速率为 6.1 Mb/s 时，只能传送2.7公里 最高数据传输速率与用户线上的信噪比密切相关,第二代 ADSL,ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5） 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如， ADSL2

27、 ：支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率 ADSL2+ ：将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz， 下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s） 上行速率可达 800 kb/s。 采用无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation) 在中断通信和不产生误码的情况下，自适应调整数率 改善线路质量评测和故障定位功能,3.2 光纤同轴混合网简介 (p59,2.6.2 )HFC (Hybrid Fiber Coax),主要特点 HFC网的主干线路采用光纤 HFC 网采用结点体系结构 HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，

28、且具有双向传输功能 每个家庭要安装一个用户接口盒,HFC 网的应用特点： 利用现有的有线电视网 具有很宽的频带 双向传输。 HFC 网的技术要点 主干线路采用光纤 结点体系结构 用户接口盒及,教材,讲课,光纤同轴混合网HFC p59,现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。 HFC 网 利用现有的、覆盖面相当大的有线电视网CATV实现宽带接入 应用特点： 可同时传送 CATV、电话、计算机数据和其他宽带交互型业务 具有很宽的频带 双向传输。,HFC 的技术要点,(1) HFC网的主干线路采用光纤 (2) HFC 网采用结点体系结构,同轴电

29、缆,头端,模拟光纤,放大器,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,HFC 的技术要点,(1) HFC网的主干线路采用光纤 将原 CATV 网主干部分由同轴电缆改换为光纤 使用模拟光纤技术。 采用光的振幅调制 AM，比使用数字光纤更为经济。 在光纤结点，光信号被转换为电信号。 在光纤结点以下是同轴电缆。,【光纤结点(fiber node)即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)】,HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能,将 450 MHz 单向传输改造为 750 MHz 双向传输,下行信道,上行 信道,5 40 50 550 750 1000,原有模拟电视,数字信号,频率(MHz),保留,每个家庭要安装一个用户接口盒,为了实现电视、电话和计算机通信，用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即： 使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。 使用双绞线连接到用户的电话机。 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,电缆调制解调器(cable modem),是 HFC 网使用的调制解调器。 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高 下行速率： 310 Mb/s，最高可达 3