計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)--第二章-物理層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第 2 章 物理層第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2 有關(guān)信道的幾個基本概念2.2.3 信道的極限容量2.2.4 信道的極限信息傳輸速率2.3 物理層下面的傳輸媒體2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體第 2 章 物理層（續(xù)）2.4 信道復(fù)用技術(shù) 2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 2.4.2 波分復(fù)用 2.4.3 碼分復(fù)用2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6 寬帶接入技術(shù) 2.6.1 xDSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 2.6.3 FTTx 技術(shù)2.1 物理層的基本概念物理層標(biāo)

2、準(zhǔn)規(guī)定了信號、連接器和電纜要求標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)物理層的主要功能：n確定與某通信系統(tǒng)連接的傳輸媒體、連接接口和信號位傳輸效能特性-服務(wù)與協(xié)議（標(biāo)準(zhǔn)）。n機(jī)械特性機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性電氣特性 指明連接線纜的指明連接線纜的各通信線各通信線上出現(xiàn)的上出現(xiàn)的信號類型及相關(guān)參數(shù)。（語法）信號類型及相關(guān)參數(shù)。（語法）n功能特性功能特性 指明指明某通信線某通信線上出現(xiàn)的某一信號狀上出現(xiàn)的某一信號狀態(tài)的意義。（語義）態(tài)的意義。（語義）n過程特性過程特性 指明對于不同功能

3、的各種可能事件指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。的出現(xiàn)順序。 （同步、時(shí)序）（同步、時(shí)序）物理層的PDU名稱-位（Bits）2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型的模型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)數(shù)據(jù)通信的概念術(shù)語n數(shù)據(jù)：承載消息的實(shí)體（某種符號系統(tǒng)）。n信號：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n模擬信號：信號參數(shù)的取值是連續(xù)的。 n數(shù)字信號：信號參數(shù)的取值是離散的。 n碼元：l承

4、載數(shù)據(jù)的基本信號單位稱為碼元。承載數(shù)據(jù)的基本信號單位稱為碼元。l用基于用基于時(shí)域時(shí)域的波形表示數(shù)字信號時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形稱的波形表示數(shù)字信號時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形稱為碼元。為碼元。l在數(shù)字通信中常常用在數(shù)字通信中常常用時(shí)間間隔相同時(shí)間間隔相同的符號來表示的符號來表示n位二進(jìn)制數(shù)字，這樣位二進(jìn)制數(shù)字，這樣的的時(shí)間間隔內(nèi)時(shí)間間隔內(nèi)的信號稱為碼元。的信號稱為碼元。 而這個間隔被稱為碼元長度。而這個間隔被稱為碼元長度。 l1碼元可以攜帶碼元可以攜帶nbit的信息量的信息量 。n通信通道：發(fā)送點(diǎn)向接收點(diǎn)傳輸物理信號的物理通道。物理信道中信號的表示形式示例 2.2.2 信道的基本概念n

5、單向通信（單工通信）信道：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通信（半雙工通信）信道：通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。n雙向同時(shí)通信（全雙工通信）信道：通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號 n基帶信號（即基本頻帶信號）來自信源的原本信號。數(shù)字信號具有基帶信號的特征。 基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 調(diào)制：用一種信號（基帶信號）來控制（調(diào)）另一種信號（載波-便于在某種信道

6、傳輸?shù)男盘枺┑亩ㄊ阶兓ㄖ疲? n帶通信號（寬帶信號）用基帶信號對載波調(diào)制后，把基帶信號的（有效）頻率范圍搬移到一個較高的頻率范圍后的信號。該信號在規(guī)定的信號頻段（信道）可與其它信號頻段（信道）中的帶通信號在同一媒體中傳輸?；鶐?shù)字信號的幾種最基本的調(diào)制方法 n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 幅移鍵控幅移鍵控 ASK（Amplitude Shift Keying ）n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。 頻移鍵控頻移鍵控 FSK （frequency shift keying ）n調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。 相移鍵控相移鍵控 PSK （Phas

7、e Shift Keying ） 基帶數(shù)字信號ASK、FSK、PSK示例 010011100基帶信號1. 調(diào)幅2.調(diào)頻3.調(diào)相正交幅度調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。16種信號波形（碼元） 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個點(diǎn)中的每個點(diǎn)可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例：16QAM信號的星座圖2.2.3 信道的極限容量 n實(shí)際信道，在傳輸信號時(shí)因多

8、種干擾而產(chǎn)生失真。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號波形的失真就越嚴(yán)重。 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形限制碼元在信道上傳輸速率因素：（1）信道能夠通過的頻率范圍n1924 年，奈奎斯特(Nyquist) 的奈氏準(zhǔn)則,給出了在理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值： C=2Hlog2(V) b/s , H:信道（低通濾波后的）帶寬（以 Hz 為單位） V:信號碼元的離散級別數(shù)n表明：如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元

9、而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 限制碼元在信道上傳輸速率因素：(2) 信噪比 n信噪比 = 10log10（S/N) （dB）n香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率。n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s nW：信道帶寬；nS ：為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；nN ：為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。n表明：只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯的傳輸。編碼編碼n如信道頻帶寬度已確定的，信噪比不能再提高了，碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，可用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信

10、息量。n編碼：在將比特表達(dá)到介質(zhì)上之前，對它進(jìn)行的比特分組、代碼映射等編碼處理，改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省使用代碼組的使用代碼組的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)有：有：l 降低比特電平錯誤：編碼考慮位同步。降低比特電平錯誤：編碼考慮位同步。l 限制傳輸?shù)浇橘|(zhì)中的效能：編碼考慮限制傳輸?shù)浇橘|(zhì)中的效能：編碼考慮DC 平衡（平衡發(fā)送的平衡（平衡發(fā)送的 1 和和 0 數(shù)量）。數(shù)量）。 l 幫助甄別數(shù)據(jù)比特和控制比特：考慮數(shù)據(jù)和控制比特的編碼（模式）區(qū)分。幫助甄別數(shù)據(jù)比特和控制比特：考慮數(shù)據(jù)和控制比特的編碼（模式）區(qū)分。l 更有效地檢測介質(zhì)錯誤：利用無效編碼模式檢測錯誤更有效地檢測介質(zhì)錯誤：利用無效編碼模式檢測錯誤編碼示例：NR

11、Z 信號n簡單的信號方法（編簡單的信號方法（編碼），適用于低速數(shù)碼），適用于低速數(shù)據(jù)鏈路。據(jù)鏈路。n不能有效使用帶寬，不能有效使用帶寬，且易受電磁干擾。且易受電磁干擾。l沒有可用于同步發(fā)送沒有可用于同步發(fā)送節(jié)點(diǎn)比特時(shí)間的跳變。節(jié)點(diǎn)比特時(shí)間的跳變。l連續(xù)傳輸長串連續(xù)傳輸長串 0 或或 1 時(shí)，單個比特位之間時(shí)，單個比特位之間的邊界會模糊。的邊界會模糊。l接收節(jié)點(diǎn)在這種情況接收節(jié)點(diǎn)在這種情況下，不能檢測到介質(zhì)下，不能檢測到介質(zhì)上的電壓跳變。上的電壓跳變。編碼示例：曼徹斯特編碼n曼徹斯特編碼方案不是用簡單的電壓值來表示比特，而是用電壓跳變來表示比特值n電壓跳變在每個比特時(shí)間的中間發(fā)生。這種跳變可確保

12、接收節(jié)點(diǎn)的比特時(shí)間與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的比特時(shí)間同步n曼徹斯特編碼效率低，是 10BaseT 以太網(wǎng)采用的信號方法。編碼示例： 4B/5B（信號模式組）2.3 物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 電

13、信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體信號傳輸受限于媒體（導(dǎo)體）路徑n雙絞線n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP無屏蔽雙絞線 UTP圖示屏蔽雙絞線 STP圖示屏蔽雙絞線電纜的典型應(yīng)用雙絞線線序常用雙絞線絞合線類型帶寬典型應(yīng)用316MHz低速網(wǎng)絡(luò)，模擬電話420MHz短距離的10BASE-T以太網(wǎng)5100MHz10BASE-T以太網(wǎng)，100快速以太網(wǎng)5E(超5類） 100MHz100BASE

14、-T快速以太網(wǎng)， 1000BASE-T吉比特以太網(wǎng)6250MHz1000BASE-T吉比特以太網(wǎng)，ATM網(wǎng)絡(luò)7600MHz可能用于10吉比特以太網(wǎng)以太網(wǎng)物理介質(zhì)特性雙絞線連接器正確的連接器端接同軸電纜編織線外導(dǎo)體/屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體同軸電纜連接器同軸電纜連接器光纖介質(zhì)常見的光纖連接器直通式光纖連接器直通式光纖連接器 (ST)（商標(biāo)為（商標(biāo)為 AT&T）- 一種一種很常見的刺刀型連接器，很常見的刺刀型連接器，廣泛用于多模光纖。廣泛用于多模光纖。用戶連接器用戶連接器 (SC) - 一種一種使用推拉機(jī)制確保正面插使用推拉機(jī)制確保正面插入的連接器。此類連接器入的連接器。此類連接器廣

15、泛用于單模光纖。廣泛用于單模光纖。朗訊連接器朗訊連接器 (LC) - 一一種廣泛用于單模光纖種廣泛用于單模光纖且支持多模光纖的小且支持多模光纖的小型連接器。型連接器。光線在光纖中的折射 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯特點(diǎn)：低損耗、高帶寬、高抗擾、無輻射、體積小、重量輕特點(diǎn)：低損耗、高帶寬、高抗擾、無輻射、體積小、重量輕光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷溆腥齻€紅外區(qū)域的電磁波段在纖芯中傳輸由較低的衰減： 0.85m，1.30 m ，1.55 m 輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光

16、纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖多模光纖與單模光纖規(guī)格綜合（結(jié)構(gòu)化）布線系統(tǒng) EIA/TIA-568（商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)）GB50311-2007綜合布線工程設(shè)計(jì)規(guī)范網(wǎng)絡(luò)綜合布線系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)示意圖 電信間FD與電話交換配線方式電信間FD與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的連接方式綜合布線系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)機(jī)柜、信息插座、水平布線橋架：梯級式、槽式、托盤式布線設(shè)計(jì)例題布線設(shè)計(jì)例題-1n已知某建筑物其中一樓層采用光纖到桌面的布線方案，該樓層共有40個光纖點(diǎn)，每個光纖信息點(diǎn)均布設(shè)一根室內(nèi)2芯多模光纖至建筑物的設(shè)備間，請問設(shè)備間的機(jī)柜內(nèi)應(yīng)選用何種規(guī)格的IBDN光纖配線架？數(shù)量多少？需要訂購多少個光纖耦合器？n提示：IB

17、DN光纖配線架的規(guī)格為12口、24口、48口。n解答：解答： 根據(jù)題目得知共有40個光纖信息點(diǎn)，由于每個光纖信息點(diǎn)需要連接一根雙芯光纖，因此設(shè)備間配備的光纖配線架應(yīng)提供不少于80個接口，考慮網(wǎng)絡(luò)以后的擴(kuò)展，可以選用3個24口的光纖配線架和1個12口的光纖配線架。光纖配線架配備的耦合器數(shù)量與需要連接的光纖芯數(shù)相等，即為80個。布線設(shè)計(jì)例題布線設(shè)計(jì)例題-2n已知某校園網(wǎng)分為三個片區(qū)，各片區(qū)機(jī)房需要布設(shè)一根24芯的單模光纖至網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房，以構(gòu)成校園網(wǎng)的光纖骨干網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)管中心機(jī)房為管理好這些光纜應(yīng)配備何種規(guī)格的光纖配線架？數(shù)量多少？光纖耦合器多少個？需要訂購多少根光纖跳線？n解答：解答：（1）根據(jù)題目

18、得知各片區(qū)的三根光纖合在一起總共有72根纖芯，因此網(wǎng)管中心的光纖配線架應(yīng)提供不少于72個接口。（2）由以上接口數(shù)可知網(wǎng)管中心應(yīng)配備24口的光纖配線架3個。（3）光纖配線架配備的耦合器數(shù)量與需要連接的光纖芯數(shù)相等，即為72個。（4）光纖跳線用于連接光纖配線架耦合器與交換機(jī)光纖接口，因此光纖跳線數(shù)量與耦合器數(shù)量相等，即為72根。2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體-無線媒體n信號傳輸不像銅介質(zhì)和光纖介質(zhì)那樣受限于媒體（導(dǎo)體）信號傳輸不像銅介質(zhì)和光纖介質(zhì)那樣受限于媒體（導(dǎo)體）路徑。路徑。n信號形式：信號形式：無線電無線電微波微波紅外線紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星衛(wèi)星地面微波地面微波 調(diào)幅調(diào)幅

19、無線電無線電 調(diào)頻調(diào)頻無線電無線電 海事海事無線電無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動移動無線電無線電 頻率、波長和速率nf=cn設(shè)：的單位是米， f的單位是MHz, 可有f300 例如：f=100MHz ，3mn另： f=c/ ,兩邊對求微分 df/d =-c / 2 ， 用有限差分代替微分，且只看絕對值，

20、 有 f=c/ 2 n設(shè)=1.310-6m， =0.1710-6m 可得 f 30THz， 若編碼率為8位/Hz, 則數(shù)據(jù)傳輸速率=240Tbps無線介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)和類型nIEEE 802.11 - 通常也通常也稱為稱為 Wi-Fi，是一種無，是一種無線線 LAN (WLAN) 技術(shù)技術(shù)nIEEE 802.15 - 無線個無線個域網(wǎng)域網(wǎng) (WPAN) 標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)，通常稱為通常稱為“藍(lán)芽藍(lán)芽“。nIEEE 802.16 - 通常稱通常稱為為 WiMAX（微波接入（微波接入全球互通），提供無全球互通），提供無線帶寬接入。線帶寬接入。n全球移動通信系統(tǒng)全球移動通信系統(tǒng) (GSM) - 包括可啟用第包括可

21、啟用第 2 層通用分組無線業(yè)務(wù)層通用分組無線業(yè)務(wù) (GPRS) 協(xié)議的物理層協(xié)議的物理層規(guī)范，提供通過移動規(guī)范，提供通過移動電話網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。電話網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。無線 LAN標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備IEEE 802.11a - 工作頻段 5 GHz，速度高達(dá) 54 Mbps。此標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率較高，因此它的覆蓋面積較小、透過建筑物的效率較低。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)工作的設(shè)備不能和基于 802.11b 和 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備互操作。IEEE 802.11b - 工作頻段 2.4 GHz,速度高達(dá) 11 Mbps.比基于 802.11a 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備有更好的透過建筑物的能力。IEEE 802.11g - 工作頻段 2.

22、4 GHz，速度高達(dá) 54 Mbps。與 802.11b工作在相同的射頻范圍內(nèi)。IEEE 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)正在起草中。提議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率為 2.4 Ghz 或 5 GHz。預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)速率為 100 Mbps 至 210 Mbps、距離長達(dá) 70 米。共享信道2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 n信道復(fù)用技術(shù)：就是按照一定的規(guī)律，在同一物理信道（無線或有線信道）中實(shí)現(xiàn)傳輸多路信號的技術(shù) 。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)的種類n頻分多路復(fù)用（FDM）n時(shí)分多路復(fù)用（TDM）n

23、波分多路復(fù)用（WDM）n碼分多路復(fù)用（CDM）n空分多路復(fù)用（SDM）頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n頻分復(fù)用就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。 n所有子信道傳輸?shù)男盘栆酝瑫r(shí)并行的方式工作，信源各自同時(shí)占用不同的帶寬資源。n信源在分配到一定頻帶的子信道后，在通信過程中自始至終都占用這個子信道頻帶。頻率時(shí)間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5FDM頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) n時(shí)分復(fù)用是將整個信道傳輸信息的時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)

24、用幀（TDM 幀）。n每個TDM 幀劃分成若干時(shí)間片（簡稱時(shí)隙），每一個信源在每一個 TDM 幀中分配并占用固定序號的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。nTDM幀周期性出現(xiàn)，每一個信源在TDM幀中所占用的時(shí)隙也周期性出現(xiàn)。n時(shí)分復(fù)用信源是在不同的時(shí)間占用同樣的帶寬資源。n時(shí)分復(fù)用技術(shù)因時(shí)隙事先分配且固定不變，也叫同步/靜態(tài)時(shí)分復(fù)用。頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用TDM同步(靜態(tài)) TDM同步(靜態(tài)) TDM的缺點(diǎn) ABCDaabbcdb cattttt4 個時(shí)分復(fù)用幀#1acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3

25、#4信源n當(dāng)某信源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它所對應(yīng)的信道會出現(xiàn)空閑，當(dāng)某信源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它所對應(yīng)的信道會出現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低線路的利用率。線路的利用率。n由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的突發(fā)性，使用同步時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的突發(fā)性，使用同步時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳遞時(shí)，造成信道利用率不高。遞時(shí)，造成信道利用率不高。 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用信源n也稱為標(biāo)記復(fù)用、智能時(shí)分多路復(fù)用、動態(tài)或異步時(shí)分復(fù)用。

26、也稱為標(biāo)記復(fù)用、智能時(shí)分多路復(fù)用、動態(tài)或異步時(shí)分復(fù)用。n帶寬動態(tài)分配：采用時(shí)隙動態(tài)按需分配，而不非固定時(shí)隙分配。帶寬動態(tài)分配：采用時(shí)隙動態(tài)按需分配，而不非固定時(shí)隙分配。n根據(jù)信號源是否要發(fā)送數(shù)據(jù)信號和對帶寬的需求情況來分配時(shí)隙。根據(jù)信號源是否要發(fā)送數(shù)據(jù)信號和對帶寬的需求情況來分配時(shí)隙。STDMATDM 異步時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用2.4.2 波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)復(fù)用方式復(fù)用方式：n1310 nm和1550nm波長的波分復(fù)用l僅用兩個波長：僅用兩個波長：1310 nm窗口和窗口和1550 nm窗口各一個波長，窗口各一個波長， l實(shí)現(xiàn)單纖

27、雙窗口傳輸。實(shí)現(xiàn)單纖雙窗口傳輸。n稀疏波分復(fù)用（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）l 稀疏稀疏(波長間隔大波長間隔大)波分復(fù)用，相鄰信道的間距波分復(fù)用，相鄰信道的間距20 nml 波長數(shù)目一般為波長數(shù)目一般為4波或波或8波，最多波，最多16波波l 使用使用1 2001 700 nm的寬窗口，的寬窗口，l 目前主要應(yīng)用波長在目前主要應(yīng)用波長在1550 nm的系統(tǒng)中。的系統(tǒng)中。 n密集波分復(fù)用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）l 密集密集(波長間隔小波長間隔小)波分復(fù)用，相鄰信道間距波分

28、復(fù)用，相鄰信道間距1.6 nm，例，例0.4 nml 可以承載可以承載8160個波長，個波長，l 單根光纖可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量高達(dá)單根光纖可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量高達(dá)400 Gbit/s 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm DWDM密集波分復(fù)用示意圖摻鉺光纖放大器 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器

29、EDFA（ Erbium-doped Optical Fiber Amplifier ）120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) n碼分多路復(fù)用CDM又稱碼分多址（多路）訪問訪問（Code Division Multiple Access,CDMA）,nCDM與FDM及TDM不同,它既共享信道的頻率,也共享時(shí)間 。n各信源使用經(jīng)過特殊挑選的彼此不會造成干擾的不同編碼序列（碼型）實(shí)現(xiàn)信道共享。 編碼序列-碼片序列(chip sequence) n將每一個比特時(shí)間再劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)n每個站被指派一個

30、唯一的 m bit 碼片序列(chip sequence) 。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。110ttm 個碼片信源的數(shù)據(jù)比特信源的數(shù)據(jù)比特信源的碼片序列信源的碼片序列chip sequence碼片序列碼片序列時(shí)間片序列時(shí)間片序列Chip/碼片碼片/時(shí)間片時(shí)間片CDMA效能例：1MHz的頻段用于100個站,n 使用FDMA,每站有10KHz的帶寬,數(shù)據(jù)速率可為10

31、kbps(設(shè)bit/Hz)n 使用CDMA,每站使用完全完全的1MHz頻段，劃分成1M的時(shí)間片， 若每位使用時(shí)間片F(xiàn)DMA信源的信源的1bit位寬位寬信源信源S100的碼片序列的碼片序列小于小于100時(shí)間片的時(shí)間片的碼片序列碼片序列 1MHz 個時(shí)間片信源信源S1的碼片序列的碼片序列每信源數(shù)據(jù)速率10Kbps1M 個時(shí)間片個時(shí)間片碼片序列時(shí)間片碼片序列時(shí)間片(100)碼片序列的正交關(guān)系 n每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)n碼片序列表示方法：雙極表示法 例：二進(jìn)制碼片序列 雙極表示法碼片序列 A站 0 0 0 1 1 0 1 1 -1 -1 -1

32、+1 +1 -1 +1 +1 B站 0 0 1 0 1 1 1 0 -1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1正交n令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 n兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS例：可計(jì)算例：可計(jì)算AB=0因?yàn)橐驗(yàn)镾和和T得分量中，對應(yīng)分量相等的數(shù)目與不相等數(shù)目是一樣的，得分量中，對應(yīng)分量相等的數(shù)目與不相等數(shù)目是一樣的，且若：且若：ST=0,則則ST=0n任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。n一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是

33、 1。 正交關(guān)系的另一個重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端ST=0ST=0ST=0SS=1SS=-1（二進(jìn)制（二進(jìn)制0）SS=1ST=0 被過濾被過濾ST=1 被接收被接收CDMA的技術(shù)原理nCDMA的技術(shù)原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼（PN）進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，接收端使用

34、完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò)，完成信息通信。n例：信源原本發(fā)送B位, 使用碼片序列編碼后需發(fā)送mB位，信息量增加了m倍，所以需要帶寬擴(kuò)頻m倍?！居懻撚懻摗績纱髾?quán)威的矛盾！兩大權(quán)威的矛盾！關(guān)于碼分多路復(fù)用（關(guān)于碼分多路復(fù)用（CDMA） 謝希仁和馮博琴兩位老師都是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育界的泰斗，但我發(fā)現(xiàn)他們關(guān)于碼分多路復(fù)用（CDMA）原理的問題上有矛盾。 謝希仁老師說，發(fā)送方按照自己的碼片序列調(diào)制將要發(fā)送的信息，接收方要先獲得發(fā)送方的碼片序列，然后用該序列與接收到的混合信息做內(nèi)積，從而檢測出發(fā)送方想要發(fā)送的信息。而馮博琴老師說，發(fā)送方將要發(fā)送信息

35、的時(shí)候，先要獲得接收方的碼片序列，用這個序列調(diào)制將要發(fā)送的信息，接收方用自己的碼片序列與接收到的混合信息做內(nèi)積，從而檢測出發(fā)送方想要發(fā)送的信息。兩者正好相反！2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1. 脈碼調(diào)制 PCM 體制 n脈碼調(diào)制 PCM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。n由于歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國采用的是歐洲的 E1 標(biāo)準(zhǔn)。nPCM信號成幀后裝入TDM時(shí)隙E1幀和T1幀nE1 的速率:3281/(12510-6)= 2.048 Mb/s,1 2 3 32 幀片時(shí)長幀片時(shí)

36、長125微妙，分為微妙，分為32個時(shí)隙每個時(shí)隙傳送個時(shí)隙每個時(shí)隙傳送8bitE1幀幀nT1 的速率:(248+11)/(12510-6)=1.544 Mb/s1 2 24幀片時(shí)長幀片時(shí)長125微妙，分為微妙，分為24個時(shí)隙，每個時(shí)隙傳送個時(shí)隙，每個時(shí)隙傳送8bit，每幀有一位同步碼每幀有一位同步碼T1幀幀PCM高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率n當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可采用進(jìn)一步的復(fù)用方法。 系統(tǒng)類型一次群二次群三次群四次群五次群符號E1E2E3E4E5歐洲體制話路數(shù)3012048019207680數(shù)據(jù)率（Mb/s）2.0488.44834.368139.264565.148符號T1T2（4T1） T3

37、（7T2)T4（6T3)北美體制話路數(shù)24966724032數(shù)據(jù)率（Mb/s）1.5446.31244.736274.176T 載波層級2. 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH n舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。 最主要的是以下兩個方面： n速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。n如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn)。 n不是同步傳輸。n在過去相當(dāng)長的時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。n注：準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)的系統(tǒng)，是在數(shù)字通信網(wǎng)的每個節(jié)點(diǎn)上都分別設(shè)置高精度的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘的信號都具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)速率。盡管每個時(shí)鐘的精度都很高，但總還是有一些微

38、小的差別。為了保證通信的質(zhì)量，要求這些時(shí)鐘的差別不能超過規(guī)定的范圍。因此，這種同步方式嚴(yán)格來說不是真正的同步，所以叫做“準(zhǔn)同步”。同步光纖網(wǎng) SONET與同步數(shù)字系列 SDHn同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) n各級時(shí)鐘都來自一個非常精確的主時(shí)鐘。 n以傳輸速率51.84 Mb/s為基礎(chǔ)n對應(yīng)電信號為STS-1-第 1 級同步傳送信號 (Synchronous Transport Signal) n對應(yīng)光信號則稱為OC-1-第 1 級光載波（Optical Carrier）。nITU-T 以美國標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系

39、列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET 體系中的 OC-3 速率。SONET圖示線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4

40、622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應(yīng)關(guān)系 SONET與SDH體系結(jié)構(gòu)SDH終端終端SDH終端終端復(fù)用器復(fù)用器或或分用器分用器復(fù)用器復(fù)用器或或分用器分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段

41、段段段段線路線路路徑路徑路徑層路徑層線路層線路層段層段層光子層光子層線路層線路層段層段層光子層光子層線路層線路層段層段層光子層光子層路徑層路徑層線路層線路層段層段層光子層光子層段層段層光子層光子層段層段層光子層光子層光子層：負(fù)責(zé)跨光纜比特傳輸，光子層：負(fù)責(zé)跨光纜比特傳輸，STS電信號與電信號與OC光信號轉(zhuǎn)換等。光信號轉(zhuǎn)換等。段段 層：負(fù)責(zé)構(gòu)成層：負(fù)責(zé)構(gòu)成STS-N幀及差錯檢測等。幀及差錯檢測等。線路層：負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。線路層：負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。路徑層：負(fù)責(zé)路徑端接設(shè)備路徑層：負(fù)責(zé)路徑端接設(shè)備PTE之間接入和的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。之間接入和的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.

42、1 xDSL技術(shù)nxDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。n雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。nxDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。nDSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。 ADSL 的組成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線 電話分離器 區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至 ISP居民家庭基于 ADS

43、L 的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPSn數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)n接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)nATU-C（C 代表端局 Central Office）nATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote）n電話分離器 PS (POTS Splitter) ADSL 的特點(diǎn)n上行和下行帶寬做成不對稱的。n上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。nADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調(diào)制解調(diào)器。n我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Mul

44、ti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT 技術(shù)nDMT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道。n每個子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT 技術(shù)的頻譜分布 頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道(kHz)401381100 xDSL 的幾種類型 nADSL (Asymmetric

45、 Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線nHDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線nSDSL (Single-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線nDSL ：ISDN 用戶線。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。 ADSL 的極限傳輸距離nADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號傳輸時(shí)的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實(shí)際的用戶線上的信噪

46、比密切相關(guān)。n例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時(shí)可傳送 5.5 公里，但當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時(shí)，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。n如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 ADSL 的數(shù)據(jù)率n由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。n當(dāng) ADSL 啟動時(shí)，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質(zhì)量。nADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量