CH2-L4 介质-复用-接入网 (2)课件

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）3.1xDSL技术(§2.6.1)3.2光纤同轴混合网－HFC网(§2.6.2)3.3FTTx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300—450M外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体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1-812345678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；头端尾端金属脚在前卡栓(弹片)在后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：8~10m。光信号运载信息1：有光脉冲0：无光脉冲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-modeFiber）：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-modeFiber）。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（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输入脉冲输出脉冲单模光纤：直线传播多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤：多次折射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2.4GHzISM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。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A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2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(FrequencyDivisionMultiplexing)时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)光通信的“频分复用”码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)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频率时间频率1频率2频率32.3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

(timeslot)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

TT……t用户B用户A用户C用户D用户B用户A用户C用户D静态时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA用户A：在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧用户C：在

TDM

帧中的位置不变用户D：在

TDM

帧中的位置不变用户B：在

TDM

帧中的位置不变例：E1电话系统（中国采用）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256÷125us=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。ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户浪费的资源静态时分与动态时分静态分配：

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(StatisticTDM)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ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#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。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s(光)复用器分用器EDFA120km8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波，

将1310nm波长分别变换到1550~1557nm光调制器光调制器2.4码分复用CDM（P51§2.4.3）CDM＝CodeDivisionMultiplexing

＝码分多址＝CDMA＝CDMAccess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4～5倍）要求的发射功率低对比多对用户同时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=W×Log2(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chipsequence：码型的描述：将码型中的0写为-1、1写为+100011011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(2-3)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11100100S站的码片序列S110ttm个码片tS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

A•Yx＝A•(Ax+Bx+Cx)=A•Ax+A•Bx+A•Cx=

＝A•A•Ab+A•B•Bb+A•C•Cb＝Ab+0+01（A站发送bit1）

＝-1（A站发送bit0）

0（A站没有发送数据）CDMA的工作原理

S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送的信号SxT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码元1码元2码元33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（DigitalSubscriberLine，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3.1xDSL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，使它能够承载宽带业务。是接入网技术标准模拟电话信号的频带：300~3400kHz用户线实际可通过的信号频率超过1MHz。xDSL技术把0~4kHz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(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：

非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN用户线RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：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

(DiscreteMulti-Tone)。“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT调制技术用频分复用方法，把40kHz～1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道每个子信道约4kHz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。…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)401381100DMT技术的频谱分布ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-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PSPSDSLAM(DSLAccessMultiplexer)：数字用户线接入复用器

ATU(AccessTerminationUnit)：

接入端接单元（即，ADSL调制解调器）

ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）PS(POTSSplitter)：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32kb/s到6.4Mb/s之间上行数据率在32kb/s到640kb/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1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里传输速率为6.1Mb/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6.1Mb/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ADSLADSL2（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：支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率ADSL2+：将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可达25Mb/s）上行速率可达800kb/s。采用无缝速率自适应技术SRA(SeamlessRateAdaptation)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(HybridFiberCoax)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，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HFCp59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(fibernode)＝即光分配结点ODN(OpticalDistributionNode)】HFC网具有比CATV网更宽的频谱，

且具有双向传输功能将450MHz单向传输改造为750MHz双向传输下行信道上行信道540505507501000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(UserInterfaceBox)要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-topbox)，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(cablem