第2章-物理層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第二章 物理層n 數(shù)字通信理論基礎(chǔ)n 傳輸介質(zhì)n 數(shù)字調(diào)制與多路復(fù)用n 典型通信系統(tǒng) 公共電話網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)電話系統(tǒng) 有線電視 衛(wèi)星通信 數(shù)字通信理論基礎(chǔ)n數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)n數(shù)字通信系統(tǒng)的模型n傅立葉變換n信道的最大數(shù)據(jù)速率數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào) n模擬通信-傳輸模擬信號(hào)n數(shù)字通信-數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào) 模擬信號(hào)是指電信號(hào)的參量是連續(xù)取值的。模擬信號(hào)的特點(diǎn)是幅度連續(xù)。常見(jiàn)的模擬信號(hào)有電話、傳真和電視信號(hào)等。 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是幅度被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)，是離散的。從模擬到數(shù)字(1)采樣定理： 若以Ts1/2fs的時(shí)間間隔對(duì)頻帶限于（0，fm）內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)進(jìn)行等間隔

2、采樣，則f(t)將由所得到的采樣值f(kTs)完全確定。 當(dāng)采樣頻率大于或等于信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，f(t)的全部信息都包含在所有采樣值中而不會(huì)丟失，并保證不產(chǎn)生信號(hào)的混疊。 量化 將采樣后一個(gè)范圍內(nèi)變化的無(wú)限個(gè)樣值（離散信號(hào)），用不連續(xù)變化的有限個(gè)值來(lái)替代的過(guò)程。其作用是將時(shí)間域上幅值連續(xù)的樣值序列變換為時(shí)間域上幅度離散的樣值序列信號(hào)。 編碼 將量化后的所有量化級(jí)，按其量化電平的大小次序排列，列出各自對(duì)應(yīng)的碼字，用二進(jìn)制（或多進(jìn)制）代碼表示，這就是編碼。 舉例：PCM編碼從模擬到數(shù)字(2)數(shù)字通信系統(tǒng)的模型傅立葉分析 任何正常的周期為T的函數(shù)g(t)，都可以由（無(wú)限個(gè)）正弦和余弦函數(shù)合成：

3、11)2()2(21)(nnnnnftcosbnftsinactgTndtnftsintgTa0)2()(2TndtnftcostgTb0)2()(2TndttgTc0)(2f=1/T 基頻，an和bn都是正弦和余弦函數(shù)的n次諧波的振幅。帶寬（bandwidth）n信道的帶寬 電氣工程師 傳輸過(guò)程中振幅不會(huì)明顯減弱的這一段頻率范圍（HZ）. 計(jì)算機(jī)科學(xué)家 一個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)速率，每秒多少比特（bps） 電話線路1MHZ 電話公司加濾波器 限制用戶可以使用的帶寬3100Hz電話線路上數(shù)據(jù)傳輸率和可通過(guò)諧波的關(guān)系電話公司加濾波器 限制帶寬3100Hz 信道的最大數(shù)據(jù)速率（信道容量）n信道容量是指信

4、道傳輸信息的最大極限速率，表征了一個(gè)信道傳輸數(shù)字信號(hào)的能力。它只由信道本身的特征（帶寬和信噪比）決定，與具體的通信手段無(wú)關(guān)。n信息傳輸速率R是單位時(shí)間所傳輸?shù)男畔⒘浚粢阎總€(gè)符號(hào)的平均信息H和每秒傳輸符號(hào)的個(gè)數(shù)r，則R=rH比特/秒。n信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別是，前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限，而后者是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。兩個(gè)公式奈奎斯特定理（1924年） 最大數(shù)據(jù)速率C=2Blog2V(比特/秒) 信號(hào)包含V個(gè)等級(jí) 無(wú)噪聲3KHZ信道不可能以超過(guò)6000bps的速率傳輸二進(jìn)制(兩級(jí)）信號(hào)香農(nóng)信道容量公式（1948年）若信道帶寬為B，信道輸出的信號(hào)功率為S，輸出

5、加性高斯噪聲功率為N，則該信道的信道容量是： (1)2SCBLogN=+香農(nóng)信道容量公式的相關(guān)結(jié)論n 提高信噪比S/N，能增加信道容量；n 當(dāng)噪聲功率N趨于0時(shí)，信道容量趨于無(wú)窮大；n 增加信道頻帶B，并不能無(wú)限制地使信道容量增大。傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)是指通信中實(shí)際傳送信息的載體。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸介質(zhì)通常可以分為：n有線介質(zhì) n無(wú)線介質(zhì) 每一種介質(zhì)在帶寬、吞吐量、傳輸延遲、尺寸、可擴(kuò)展性以及成本和安裝維護(hù)費(fèi)用等方面都不相同，在實(shí)際使用中決定使用哪種傳輸介質(zhì)時(shí)，必須綜合考慮傳輸介質(zhì)的多種特性，將聯(lián)網(wǎng)需求與介質(zhì)特性進(jìn)行匹配。 有線介質(zhì) 有線介質(zhì)又稱為約束類傳輸介質(zhì)，是現(xiàn)代通信技術(shù)中最常用的且

6、以有形線路作為傳輸媒體的傳輸介質(zhì)，由于它傳輸信號(hào)的性能較好，而且既便宜又容易安裝維護(hù)，所以主要適用于短距離通信和架設(shè)電纜比較容易的場(chǎng)合。n雙絞線n同軸電纜n光纖光纜 雙絞線(twisted pair)內(nèi)導(dǎo)體芯線內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣絕緣箔屏蔽箔屏蔽銅屏蔽銅屏蔽外套外套雙絞線由兩條互相絕緣的銅線組成，其典型的粗細(xì)為直徑1mm。這兩條線像螺紋一樣擰在一起，這樣可以減少鄰近線對(duì)電氣的干擾。（電話系統(tǒng)）雙絞線（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）n雙絞線是由不同顏色的4對(duì)8芯線組成，每?jī)蓷l按一定規(guī)則絞織在一起，成為一個(gè)芯線對(duì)。n它一般有屏蔽（Shielded Twisted-Pair: STP）與非屏蔽（Unshielded Twi

7、sted-Pair: UTP）雙絞線之分，屏蔽的當(dāng)然在電磁屏蔽性能方面比非屏蔽的要好些，但價(jià)格也要貴些（除了IBM設(shè)備上用，沒(méi)有流行起來(lái)）。n雙絞線按電氣性能劃分：3類(16MHz)、4類、5類(100MHz)、超5類、6類（250MHz）、7類(600MHz)雙絞線等類型。屏蔽雙絞線 (STP)以箔屏蔽以減少 干擾和串音非屏蔽雙絞線 (UTP)3類：=16MHz 速率F這條輸出線路的隊(duì)列中，等到這條線路空閑時(shí)就將它送往結(jié)點(diǎn)F，依此類推直至接收端。32121321332121321報(bào)文交換優(yōu)點(diǎn)n電路利用率高。由于報(bào)文可以分時(shí)共享兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通道，所以對(duì)于相同的通信量來(lái)說(shuō)，報(bào)文交換技術(shù)對(duì)電路的

8、傳輸能力要求更低。n電路交換網(wǎng)中，當(dāng)通信量增加很大時(shí)，就不能接受新的呼叫。而在報(bào)文交換網(wǎng)中，通信量大時(shí)仍然可以接收?qǐng)?bào)文，但傳輸延遲會(huì)增加。n報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地，而電路交換網(wǎng)很難做到。n報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。分組交換分組交換 分組交換技術(shù)（Packet Switching）是報(bào)文交換的一種改進(jìn)。它將報(bào)文分成若干個(gè)分組，每個(gè)分組長(zhǎng)度設(shè)置上限值，有限長(zhǎng)度的分組使每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的存儲(chǔ)空間減少，同時(shí)分組可以存儲(chǔ)到內(nèi)存中，提高交換速度。n結(jié)點(diǎn)A有三段數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到結(jié)點(diǎn)J，它們以1-2-3的順序發(fā)送到C。在分組1和2到來(lái)時(shí)，C判斷該數(shù)據(jù)包到E比到H和F的排隊(duì)時(shí)間都更短，所

9、以它將分組1和2排隊(duì)在E上；分組3到來(lái)時(shí)，C判斷到H的排隊(duì)時(shí)間最短，于是將分組3排在H的隊(duì)列上。相同目的地址的分組選擇不同路徑，則到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的順序可能不同，如到達(dá)結(jié)點(diǎn)H的順序是3-1-2，因此分組到達(dá)J后要重新按分組序號(hào)排序，以保證報(bào)文的有序接收。 32121321332121321分組交換技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分組交換技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)n分組的傳輸足夠快，時(shí)延足夠小，允許進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信。n采用適應(yīng)式路由選擇法可把網(wǎng)絡(luò)流量均勻地分配給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從而避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)延的出現(xiàn)，并可保證所有信道有較高的利用率。n傳輸可靠性高n在各節(jié)點(diǎn)中可以進(jìn)行碼速和碼型變換n可通過(guò)復(fù)用技術(shù)對(duì)各路通信提供可靠服務(wù)，在容限范圍內(nèi)，隨著傳輸

10、路數(shù)的增加，分組交換系統(tǒng)提供的服務(wù)質(zhì)量是逐漸降低的。n分組交換網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，這也是目前先進(jìn)通信技術(shù)的一種發(fā)展趨勢(shì)三種交換技術(shù)的比較電路交換報(bào)文交換分組交換能否進(jìn)行實(shí)時(shí)通信線路接通后可進(jìn)行實(shí)時(shí)會(huì)話通信，但不能實(shí)時(shí)多功能通信非實(shí)時(shí)、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，不能進(jìn)行會(huì)話式通信可接近實(shí)時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，可進(jìn)行會(huì)話式通信網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延小、當(dāng)建立呼叫時(shí)有一定的時(shí)延大、報(bào)文長(zhǎng)短影響時(shí)延大小小線路利用率當(dāng)進(jìn)行斷續(xù)通信或短報(bào)文通信時(shí)線路利用率低高高通信速率和碼變換不能進(jìn)行通信速率和碼變換能能差錯(cuò)控制功能不具有可具有具有傳輸路由每次通信過(guò)程中路由不變每一報(bào)文傳遞過(guò)程中路由不變可

11、以有不同路由網(wǎng)絡(luò)過(guò)載的影響隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷加大，受損率增加隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷加大，傳遞時(shí)延加大，引起阻塞可進(jìn)行流量控制，可在一定傳遞時(shí)延條件下防止阻塞計(jì)費(fèi)方式按距離和時(shí)間計(jì)費(fèi)按字節(jié)或按字節(jié)與連接時(shí)間計(jì)費(fèi)按字節(jié)或分組數(shù)及連接時(shí)間計(jì)費(fèi)練習(xí)n1.比較在一個(gè)電路交換網(wǎng)和在一個(gè)（負(fù)荷輕的）分組交換網(wǎng)上將x比特報(bào)文沿k段傳輸路徑傳輸?shù)难訒r(shí)。假定線路建立時(shí)間是s秒，每段上的傳輸延遲為d秒，分組大小為p位，數(shù)據(jù)傳輸速率是b bps。在什么情況下，分組交換網(wǎng)的延遲更短。n2.假定將x比特用戶數(shù)據(jù)裝配成一系列的分組，沿一條k段的路徑在分組交換網(wǎng)中傳輸，每個(gè)分組含p個(gè)數(shù)據(jù)位和h個(gè)報(bào)文位，xp+h，線路速率為b bps，傳輸延

12、遲忽略不計(jì)。什么樣的p值使總的延遲最小？移動(dòng)電話系統(tǒng)n模擬語(yǔ)音n數(shù)字語(yǔ)音n數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù)（Internet,E-mail）第一代移動(dòng)電話模擬語(yǔ)音n60年代，IMTS(改進(jìn)的移動(dòng)電話系統(tǒng)) 大功率發(fā)送器 兩個(gè)頻率 分別用于發(fā)送和接收 支持23個(gè)信道 頻率范圍150-450MHz 信道少，需等待很長(zhǎng)時(shí)間n高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)AMPS 82年在美國(guó)安裝，每個(gè)蜂窩單元10-20公里，每個(gè)使用一組頻率，在較近的不相鄰的蜂窩單元重復(fù)使用相同的頻率頻率重用基站：一臺(tái)計(jì)算機(jī)和發(fā)射器/接收器組成 連接到天線上 MTSO 移動(dòng)電話交換局 所有基站都連接到MTSO上移交（handoff ）: 軟移交原來(lái)基站掛斷前，新基

13、站獲得信號(hào)（電話必須具備同時(shí)調(diào)節(jié)到兩個(gè)頻率的能力）；硬移交新基站獲得電話前，老基站就掛斷電話微蜂窩單元微蜂窩單元n信道：使用832個(gè)全雙工信道，每個(gè)信道由兩個(gè)單工信道（頻寬30KHz）組成，發(fā)送信道頻率范圍824-849MHz,接收信道869-894MHz.使用FDM分隔信道n信道分類: 控制信道基站到移動(dòng)電話，用于管理系統(tǒng) 尋呼信道-基站到移動(dòng)電話,提醒有呼叫到來(lái) 接入信道雙向， 呼叫建立和信道分配, 數(shù)據(jù)- 語(yǔ)音、傳真和數(shù)據(jù)(雙向)21條信道被保留用于控制,固化在每部電話的PROM中.每個(gè)單元中的實(shí)際可用語(yǔ)音信道通常45個(gè)左右AMPS系統(tǒng)的信道系統(tǒng)的信道AMPS的呼叫管理32位序列號(hào) 10

14、位數(shù)字的電話號(hào)碼電話號(hào)碼:區(qū)域號(hào)3個(gè)數(shù)字用10位表示,用戶號(hào)7個(gè)數(shù)字用24位表示.34位電話號(hào)碼開(kāi)機(jī)時(shí),對(duì)預(yù)先設(shè)置的21條信道掃描,找到最強(qiáng)信號(hào),廣播自己的序列號(hào)和電話號(hào),以數(shù)字形式多次被廣播,且?guī)в屑m錯(cuò)碼.(控制信號(hào)都是數(shù)字方式傳輸) 基站收到后,告訴MTSO,記錄新顧客到來(lái).移動(dòng)電話每隔15分鐘左右重新注冊(cè)一次打電話: 將呼叫號(hào)碼和自己的標(biāo)識(shí)通過(guò)訪問(wèn)信道發(fā)送,若碰撞,會(huì)試著重新發(fā)送,基站接到請(qǐng)求,通知MTSO, MTSO尋找空閑信道,找到,通過(guò)控制信道將信號(hào)發(fā)回去,移動(dòng)電話自動(dòng)切換到被選中的語(yǔ)音信道上,等待對(duì)方接聽(tīng)電話. 被呼叫方的主MTSO收到呼叫分組后，發(fā)分組到該電話所在基站，基站在呼

15、叫信道上發(fā)送廣播消息，告訴被叫電話切換到信道。第二代移動(dòng)電話2G數(shù)字語(yǔ)音nD-AMPS數(shù)字的高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)nIS-54 IS-136 在同一蜂窩內(nèi)，可以與AMPS共存。使用同樣的30KHz信道，MTSO可以動(dòng)態(tài)改變信道類型n新頻段加入，處理增加的負(fù)荷.上行信道1850-1910MHz 下行信道1930-1990MHzn在移動(dòng)電話端完成數(shù)字化和壓縮.將帶寬為56KbpsPCM編碼降低為8Kbps, 聲音編碼器(vocoder) .n三個(gè)用戶可以用時(shí)分復(fù)用技術(shù)共享同一對(duì)頻率.每對(duì)頻率可以支持25幀/秒,即每幀40ms,分為6個(gè)時(shí)間槽每幀中三個(gè)用戶輪流使用上行和下行數(shù)據(jù)流鏈路每個(gè)時(shí)槽 324位,其

16、中控制用64位,159位用于壓縮后的語(yǔ)音數(shù)據(jù),101位是糾錯(cuò)用.對(duì)于用戶速率為159*2/40ms=7.95kbps利用更好的壓縮算法可以使語(yǔ)音數(shù)據(jù)的帶寬小于4Kbps一幀可以容納6個(gè)用戶D-AMPS的控制n16幀為一個(gè)超級(jí)幀，某些信息會(huì)出現(xiàn)數(shù)次。有6個(gè)主要的控制信道：系統(tǒng)配置、實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)控制、呼叫、訪問(wèn)應(yīng)答和短消息。n工作方式與AMPS類似n移交方式移動(dòng)電話利用1/3的不發(fā)送也不接收的時(shí)間測(cè)試線路質(zhì)量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)很弱時(shí)，就告訴MTSO,MTSO斷開(kāi)該連接，同時(shí)試圖轉(zhuǎn)到另一個(gè)信號(hào)更強(qiáng)的基站上。GSM-全球移動(dòng)通信系統(tǒng)nD-AMPS應(yīng)用于美國(guó)和日本。其他地區(qū)用GSM.n信道: 蜂窩狀系統(tǒng)，使用

17、頻分復(fù)用，每部電話在一個(gè)頻率上發(fā)送數(shù)據(jù)，在另一個(gè)高一點(diǎn)(高45MHz)的頻率上接收數(shù)據(jù).n900MHZ頻域有124對(duì)單工信道(200KHZ寬),使用時(shí)分復(fù)用技術(shù)支持8個(gè)獨(dú)立的連接TDM幀格式幀格式成幀層次結(jié)構(gòu)成幀層次結(jié)構(gòu)26幀形成一個(gè)多幀結(jié)構(gòu),其中一個(gè)用做保留,一個(gè)用做控制每幀中8個(gè)信道,且信道間留有保護(hù)時(shí)間30us 共4.615ms 速率 1250/(120/26)=270 833bps 每個(gè)信道為 33.854Kbps ,去掉額外開(kāi)銷,單用戶只有24.7kbps(33.854*547/577*114/148) 用于糾錯(cuò)前的凈荷,糾錯(cuò)后13kbps用于語(yǔ)音(質(zhì)量好于D-AMPS) 148位的

18、數(shù)據(jù)幀占用547+30=577us 控制信道n廣播控制信道 從基站輸出的連續(xù)流,包含了基站的標(biāo)識(shí)和信道狀態(tài),所有移動(dòng)站都能監(jiān)視它們的信號(hào)強(qiáng)度,了解進(jìn)入新的蜂窩單元.n專用控制信道 用于移動(dòng)站的位置更新、注冊(cè)和建立呼叫n公共控制信道 尋呼信道,基站用于呼叫移動(dòng)站有呼叫進(jìn)入; 隨機(jī)訪問(wèn)信道,允許用戶在專用控制信道上請(qǐng)求一個(gè)時(shí)間槽,建立電話呼叫; 接入授予信道,用于宣告在專用信道中被分配的時(shí)槽.第三代移動(dòng)電話3G數(shù)字語(yǔ)音與數(shù)據(jù)n92年,ITU提出IMT-2000. 預(yù)期的目標(biāo): 高質(zhì)量的語(yǔ)音傳輸 消息服務(wù)(代替電子郵件 傳真 聊天等) 多媒體(音樂(lè) 視頻 電影 電視) Internet訪問(wèn)(Web瀏

19、覽 視頻音頻的頁(yè)面)n技術(shù)提案 WCDMA 愛(ài)立信公司提出,使用直接序列擴(kuò)頻設(shè)計(jì)使用5MHz帶寬,可以與GSM網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作.歐盟將它稱為UMTS( 全球通用的移動(dòng)通信系統(tǒng))nCDMA2000,由Qualcomm公司提出,是一種直接擴(kuò)頻設(shè)計(jì)方案,是IS-95的一個(gè)擴(kuò)展,不能與GSM兼容.與WCDMA的區(qū)別是用了不同的時(shí)間片,不同幀時(shí)間,頻率和時(shí)間同步機(jī)制.n99年,兩家公司同意遵守同一個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn).n2.5G EDGE(enhanced data rates for GSM evolution) 支持每波特更多位數(shù)的GSM系統(tǒng) GPRS(general packet radio service)

20、位于D-AMPS或GSM之上的層疊分組網(wǎng)絡(luò),允許移動(dòng)站在一個(gè)運(yùn)行語(yǔ)音系統(tǒng)的蜂窩單元中發(fā)送或接收IP分組. 4G系統(tǒng)的研究特點(diǎn)：高帶寬、普適性、與其他有線和無(wú)線IP網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成（包括802.11接入點(diǎn)）、頻率和資源的自適應(yīng)管理及高品質(zhì)的多媒體服務(wù)。與4G性能水平相當(dāng)?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò) 802.16（WiMAX）有線電視n共天線電視n基于有線電視網(wǎng)絡(luò)的Internet信號(hào)單向傳輸,從頭端到用戶n由于有線電視用戶共享同一根電纜,解決辦法使每一段電纜上沒(méi)有太多的用戶,典型的500-2000戶,但隨著用戶越來(lái)越多的通過(guò)電纜連接到Internet,需要更加細(xì)粒度分解電纜,引入更多光纖節(jié)點(diǎn)n頻譜分配:調(diào)制方案n下行: