硕士《计算机网络》(第二章-物理层)

1、1计算机通信网络第二章：物理层计算机通信网络第二章：物理层一、数据通信的理论基础二、（有线）传输介质：双绞线、电缆、光纤等三、无线传输介质：短波、微波、红外、激光等四、通信卫星五、公共交换电话网络六、移动通信系统七、有线电视网络2硕士计算机通信网络讲稿第二章第二章 物理层物理层一、数据通信的理论基础1。傅立叶分析傅立叶证明：任何周期为T的函数g(t), 均可展开成多个正弦和余弦函数的和（傅立叶级数） 其中： , 为n次谐波振幅 为基频 )2()2()(1121nftCosbnftSinactgNnnnnbTf1na3 上边两式同乘以)2(nftSin，然后从0到T积分，并利用 TdtnftSi

2、nnftSin0)2()2(02Tnknk可得TTndtnftSintga02)2()(dtnftCostgbTTn)2()(02TTdttgc02)(4P59 图21 （a）一个二进制信号和它的平方根傅立叶振幅 （b）（e）几个连续的接近于原始信号的谐波2。有限带宽信号： 【1】 与该频率点发射的能量成正比 【2】限制能量带宽就相当于限制数据传输率 区分波特率与比特率的概念 波特率（baud）：波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特（baud） 比特率（bps）：数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制 代码的有效位（bit）数来表示 ，

3、单位为每秒比特数（bps）波特率与比特率的关系：比特率 = 波特率 单个调制状态对应的二进制位数 3。信道的最大数据传输率奈奎斯特定理：如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，则每秒采样为2H就能完整地重现该滤波信号。高于2H的采样是无意义的。可表示为：最大数据传输率 2H bps H为信号带宽；被传信号电平分为V级 22nnba V2log567信噪比 一般用 10 表示，单位为分贝（db）香农关于信道的主要理论：任何带宽为H Hz，信噪比为S/N的信道，其最大传输速率为 最大数据传输速率（bps）H 例如：H=3K Hz，S/N=30dB，最大数据传输率 30Kbps二。传输介质1。磁介

4、质：磁带（正在逐步被光盘、活动硬盘、优盘等代替） 通过火车、汽车运输2。双绞线：1Mbps10/100Mbps无屏蔽双绞线UTP：5类，超5类，6类，7类用于传输数据3类用于传输语音有屏蔽双绞线（只有IBM生产的设备上用）NS噪声功率信号功率NSlg)1 (log2NS83。基带同轴电缆：50用于数字传输75用于模拟传输P62 图2.4 同轴电缆的组成 传输带宽取决于电缆长度： 1km 以内：1G2Gbps4。宽带同轴电缆：这里的“宽带”是指比4Kbps宽的频带。在计算机 网络中，指任何使用模拟信号进行传输的电缆网有线电视：300450M Hz，100 km多信道：模拟电视广播信道占 6M H

5、z 每一信道可用于模拟电视、CD质量声音（1.4Mbps） 或3Mbps的比特流宽带系统：图双缆系统单缆系统5。光纤：光缆由玻璃制成，包括芯（玻璃）、封套（折射率低的玻 璃）、外套（塑料，铠装光缆的外套为金属）光导纤维本身，传输速率可达5000Gbps（50Tbps）实际使用： 2.5Gbps（受光电转换速度的限制）实验室 可达100Gbps910顶端器出电缆进电缆顶端器计算机放大器单电缆。低频用于内向通信，高频用于外向通信图2-4 宽带网络11光传输系统的组成：光源；传输介质；检测器（光照在检测器产生脉冲）光纤：多模光纤（相对粗，有散射）；单模光纤（细，直线传播）连接方式：【1】将光纤接入连

6、接头并插入光纤插座 【2】用机械方法将其结合（冷接） 【3】将两根光纤熔在一起形成坚实的连接（热熔）用作信号源的光源：LED（发光二极管） 半导体激光光纤网络： P68 图29 使用有源中继器的光纤环光纤与铜线的比较： 优点：【1】可提供比铜线高的多的带宽 【2】衰减小。（单模）每3050km才需要一个中继器 【3】不受发动机转动、电磁干扰、电源故障的影响 【4】细且重量轻 【5】不漏光且难于拼接，安全性好 缺点：【1】 光传输为单向的，所以双向传输需要两根光纤或一根 光纤上两个频段（波分复用） 【2】接口的价格比电子接口贵（熔接：200元/芯）1213三。无线传输1。电磁波谱P85 图211

7、 电磁波的波谱和它在通信中的应用 频谱宽度 其中：C=310 波长 波段宽度可见：波段越宽频带（f）越宽传输速率越高扩展频谱、直接序列扩展频谱 在第四章介绍2。无线电传输 在VLF（甚低频）、LF（低频）、MF（中频）波段： 【1】沿地面传播 【2】容易通过障碍物，但能量以距离的 减小。 在HF（高频）、VHF（甚高频）波段： 【1】地表面波被吸收 【2】可通过电离层（离地球100500km）折射返回地球2cfsm83114无 线 电微 波红 外U VX 射 线伽 玛 射 线f(H z)f(H z)1 041 051 061 071 081 091 01 01 01 11 01 21 0131

8、0141 0151 01 61 001 021 041 061 081 0101 01 21 01 41 01 61 01 81 0201 0221 024可 见 光双 绞 线同 轴 电 缆卫 星光 纤地 面 微 波低 频 波AM无 线 电FM无 线 电TV波 段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF图 2-11 电 磁 波 的 频 谱 和 它 在 通 信 中 的 作 用15P87 图212163。微波传输（100MHz100GHz）【1】沿直线传播【2】中继站之间的距离大致与塔高的平方成正比【3】不能很好的穿过建筑物【4】多路减弱效应（部分被大气层折射的信号相位不对而消除

9、了信号）【5】在8GHz频率上会被水吸收# 工业/医学/科学波段：世界通用：2.400GHz美、加：902MHz928MHz 5.725GHz5.850GHz可用于无绳电话、车库门控制器、无线高 保真扬声器、安全门等4。红外线和毫米波（1mm）用于短距离通信：电视、录像机的遥控装置不能穿透坚固的墙壁等5。激光传输不能穿过雨、浓雾可用位于楼顶的激光装置连接两个楼的LAN17P75 图213186。蓝牙技术：短距离无线通信网络（在第四章还会有介绍）工作频段：ISM频段 2.4022.480GHz数据速率：1Mbps（全双工，TDD时分双工）发射距离：一般为10cm10m，增加功率情况下可达100m

10、功率：美国FCC要求 +4V 功能指标： RS-232-C MODEM之间的连接P85 图2-21 RS-232电路中的主要连接符合ISO的物理层协议 RS-449，RS-422-A 可以在60m长的电缆上达到2Mbps的传输速率29303132计算机或终端调制解调器发送（2）接受（3）保护接地（1）请求发送（4）清除发送（5）数据设置就绪（6）公用返回（7）线检测（8）数据终端就绪（20）图2-21 RS-232电路中的一些主要连接33【4】本地回路的光纤 两种方案：（1）光纤到户（贵，近期难实现） （2）光纤到楼群 P87 图2-23 光纤到楼群（a）使用电话网络（通过双绞线到用户，共享1

11、Gbps ，100m以内用户可享用1Mbps,压缩视频）（b）使用有线电视网络（通过电缆到用户）3。主干和多路复用 三种复用方式：（1）频分多路复用 P88 图2-24（a）（b）（c） （2）波分多路复用 P89 图2-25 （3）时分多路复用 P118 图2-33 线路的时分多路复用P120 图2-35 更高速线路上的 流4。SONET/SDH（同步光纤网络/同步数字分级结构，物理层） 构成：由交换机、多路复用设备、中继器构成 相互之间用光纤连接 通路组成：P118 图2-331T1T34房 屋铜 线 有 线电 视 电 缆光 纤高 带 宽 光 纤 干 线汇 接 盒交 换 局房 屋汇 接 盒

12、光 纤交 换 局高 带 宽 光 纤 干 线铜 双 绞 线（ a)使 用 电 话 网 络(b)使 用 有 线 电 视 网 络图 2-23 光 纤 到 楼 群353637源多路复用设备中继器多路复用设备中继器目的多路复用设备段段段段线路线路路径图2-29 一条SONET通路38 SONET幀：810bit/125s 总数据传输率 51.84MbpsP121 图2-36 两个背靠背的SONET幀复用方式：P116 图2-31，32，33（频分，波分，时分）STS-12对STS-1的复用按字节轮流完成多路复用的速率：P122 图2-37层次结构：分为4个子层：【1】光电子层 【2】段子层 【3】线路子

13、层 【4】路径子层395。交换方式（1）电路交换：连通一条自电话呼叫方至接受方的物理路径，收发双方专用（2）报文交换：利用存储 转发方式逐级中转报文（不需要建立物理路径；对所传送数据块的大小没有限制）（3）分组交换：利用存储 转发机制传送固定长度的分组l用户数据被划分为分组（packet）；l分组的大小有严格的上限，这样分组可以被缓存在交换设备的内存 中而不是磁盘中；l保证分组交换网中任何用户不能长时间占用信道，因此，非常适合于交互通信 计算机网络一般使用分组交换或者电路交换传送信息，但是不会使用报文交换方式 电路交换与分组交换的比较：见P127 图2.4040六、移动通信系统 1。第一代：模

14、拟移动通信系统（用于电话通信）按钮启动通话系统 改进型移动电话系统 先进移动电话系统（AMPS） 移动交换中心 基站 手机 一个蜂窝（cell）中包含一个基站和若干移动站（手机） 覆盖范围一般为1020km，每个单元使用一套频率 P129 图241 （a）在相邻的单元不会重用相同的频率 （b）为了增加更多的用户，会使用更小的 单元AMPS的信道： AMPS有832个全双工信道，其中：824 849MHz有832个单工发送信道869 894MHz有832个单工接收信道4142 每个信道宽30KHz 用FDM分隔信道832个信道分四类：【1】控制（基站移动话机）：用于管理系统【2】呼叫（基站移动话

15、机）：用于提示用户，有人呼叫【3】接入（双向）：用于通话建立和信道分配【4】数据（双向）：用于话音、传真和数据呼叫管理：略安全问题：模拟移动通信系统完全不安全【1】可用全波段收音机在某单元收听所有通话【2】空中窃贼（英国王妃黛安娜）【3】对天线和基站的破坏 2。第二代：数字移动通信移动通信全球系统GSM，即“全球通” GSM系统组成：移动台MS（mobile station）， 基站子系统BSS（Base Station Subsystem） 网络子系统NSS（Network Subsystem）。 43BSCBSCMSCMSCBTSBTSBTSBTSBTSVLRHLRAUCOMCMSMSMS

16、MSPSTN数据网ISDN基站子系统网络子系统Um接口Abis接口A接口 第二代移动通信系统GSM网络结构图44 基站子系统：由基站收发信台BTS和基站控制器BSC组成。子系统中包括多个BSC，每个BSC与多个BTS相连。该系统是各小区连成的网络，这些小区的组成可以覆盖整个服务区域。每一个小区有一个基站收发信机，工作在一组无线信道上。 网络子系统NSS包括：移动交换中心MSC（Mobile Switching Centre） 归属用户位置寄存器 HLR（Home Location Register） 访问用户位置寄存器 VLR （ Visitor Location Register） 设备识别

17、寄存器 EIR （ Equipment Identity Register） 鉴权中心 AUC （ Authentication Centre） 操作维护中心 OMC（Operation and Maintenance Centre） 系统接口有三个：（1）A接口：网络子系统与基站子系统之间的接口。通过2.048Mbps的PCM 数字链路连接，传递移动终端管理、基站管理、移动性管理、 接续管理等信息 （2）Abis接口：BSS中的两个功能实体BSC和BTS之间的通信接口。该接口 通过2.048Mbps或64kbps的PCM数字链路实现物理连接，用于 BSC和BTS之间的远端互联方式（3）Um接

18、口：空中无线接口，被定义为MS与BTS之间的通信接口，用于 移动终端与系统固定设备的互通 453、第三代移动通信：数字语音与数据第三代移动通信的概念最初由国际电信联盟（ITU）于1985年提出，后正式命名为IMT-2000。在1999年11月举行的ITU-R TG8/1赫尔辛基会议上最终确定了第三代移动通信无线接口标准，并于2000年5月举行的ITU-R 2000年全会（RA-2000）上最终得到批准通过，被正式命名为IMT-2000无线接口技术规范（M.1457）。此规范包括码分多址（CDMA）和时分多址（TDMA）两大类共五种技术，其中CDMA为目前公认的主流技术，它包括两种频分双工（FD

19、D）技术和一种时分双工（TDD）技术，分别为IMT-2000 CDMA-DS、IMT-2000 CDMA MC和IMT-2000 CDMA TD。 第三代移动通信的基本要求：（1）数据速率可从几kb/s到2Mb/s；（2）高速移动时最高数据速率可达144kb/s，（3）慢速移动时最高数据速率可达384kb/s，（4）静止时最高数据速率可达2Mb/s。 46TD-SCDMA是中国提出的第三代移动通信技术标准。其主要技术特点为：（1）采用智能天线技术；（2）采用上行同步方式；（3）采用接力切换方式；（4）采用低码片速率。 HSDPA（高速下行分组接入技术）是现行部分3G标准（欧盟版技术WCDMA和

20、国产3G技术TD-SCDMA）的升级技术，可以在不改变已经建设的3G网络的基础上，大大提高用户下行数据业务速率。 2007.11的测试结果表明：使用了HSPDA技术的国产3G，已经可以实现高达2.8M的无线下载速率，这一数字较此前的384K提升近7倍，并超过目前普遍的ADSL宽带上网速率。 474。下一代移动通信系统下一代移动通信系统（B3G，超三代） ITU-RWP8F在2003年6月完成了一个里程碑式的文件即（Future development of IMT-2000 and systems beyond IMT一2000）。下一代移动通信系统（B3G）主要有以下性能特点： （1） 传输

21、速率在低速移动和固定情况下达20Mbps，在高速移动情况下达2Mbps；（2） 容量达到3G系统的510倍，传输质量相当于或优于3G系统；（3）小区覆盖范围等于或大于3G系统；（4） 在不同速率间能够自动切换，以保证通信质量；（5） 网络的比特成本低于3G系统。 B3G提供的空中接口希望能达到高移动性下(如移动接入)最高约lOOMbits，低速移动性下(如游牧或固定无线接入)最高约1GbWs的速率目标。 根据ITU的预测，B3G系统应该在2010以后投入商用。48 下一代移动通信系统的关键技术是从2G和3G的关键技术演进而来的。因此改进后的3G关键技术也是下一代移动通信系统的核心技术 ： 智能

22、天线技术：B3G中的智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，该阵列的输出与收发信机的多个输入相结合，可提供一个综合的时空信号。与单个天线不同的是，天线阵列系统能够动态地调整波束的方向，以使每个用户都获得最大的主瓣，并减小了旁瓣干扰。这样不仅改善了SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio, 信号干扰比)，还提高了系统的容量，扩大了小区的最大覆盖范围，减小了移动台的发射功率。 软件无线电技术：软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。换言之，不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同硬件基础上的不同

23、软件实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成，并大大降低了建设成本 49 OFDM（正交频分多路复用）技术：OFDM技术其实是MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。 50 HSDPA（高速下行分组接入）： HSDPA技术是一种能够有效的提供多用户高速下行数据业务的新技术。HSDPA由H-ARQ（高速自动重发请求）、MIMO（

24、多输入多输出）等一系列技术组成，这些技术能将下行速率提高到8Mbps以上甚至达到20Mbps。 多用户检测技术（Multiuser Detection）多用户检测技术用以消除多址干扰，同时也可以采用维特比（Viterbi）算法等均衡方法来抗符号间干扰。 m-QAM（正交振幅调制）： m-QAM采用高频谱利用率的调制方式，是解决有限的频谱资源与高速率多媒体业务这一对矛盾的有效方法。 IP技术：新一代网络将会建成一个全IP的系统，这不仅包括核心网的IP化，还包括无线接入部分的IP化。前者的焦点在于对原有核心网的改动程度、改造成本、网络的后向兼容性等。后者的难度比前者要大，但良好的IP接入可以保证技

25、术发展上的协调一致性；可以实现基于IP包的统计复用技术，从而降低传输成本；可以实现全带宽利用度；使统一的网管和运营成为可能等。51下一代移动通信系统的最新技术还包括非对称通信模式、功率控制、无线资源管理等 525。第四代移动通信系统（4G） 4G移动通信系统 预期在2010年左右投入商用。 4G系统的目标速率为：对于大范围高速移动用户（250km/h）数据速率为2Mbps; 对于中速移动用户（60km/h）数据速率为20Mbps; 对于低速移动用户（室内或步行者），数据速率为100Mbps。 4G系统的关键技术为：【1】正交频分复用(OFDM)技术【2】无线链路增强技术：分集技术，如通过空间分

26、集、时间分集(信道编码)、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能；多天线技术【3】多载波调制(MCM)技术：采用两种形式的MCM技术，多载波码分多址（MCCDMA）和正交频分复用时分多址（OFDMTDMA）53 【4】基于lP的核心网：4G的核心网是一个基于全IP的网络。目前选择IPv6技术作为下一代网络的核心协议IP与多种无线接入协议相兼容因此在设计核心网络时不需要考虑无线接入究竞采用何种方式和协议。 【5】智能天线：基于自适应天线原理、空分多址技术产生空间定向束使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或邻瓣对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。 【6

27、】多用户检测技术54 3G系统和系统和4G系统的主要技术参数比较：系统的主要技术参数比较： 3G 4G 频带 1.8-2.5 GHz 2 - 8 GHz 带宽 5-20 MHz 5 - 20 MHz 数据率 最高为2Mbps 最高为20 Mbps (一般为384 kbps ) 接入方式 W-CDMAMC-CDMA 或OFDM （TDMA） （宽带CDMA） （多载波CDMA） OFDM正交频分多路复用 编码方式 前向纠错卷积码 码率1/2, 1/3 级连码 交换方式 电路/分组 分组 移动台最高速度 200km/h 200 km/h 55七、有线电视网络 1。共用天线电视系统 共用天线电视系统包括两个主要部分： （大）天线 放大器，亦叫头端56 2。基于有线电视网络的InternetHFC（Hybrid Fiber Coax）系统：长距离传输路径使用光纤，而连接到家庭的是同轴电缆（一根光纤节点可