第2章-物理層

1、計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡第二章 物理層n 數(shù)字通信理論基礎n 傳輸介質(zhì)n 數(shù)字調(diào)制與多路復用n 典型通信系統(tǒng) 公共電話網(wǎng)絡 移動電話系統(tǒng) 有線電視 衛(wèi)星通信 數(shù)字通信理論基礎n數(shù)字信號與模擬信號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)字信號與模擬信號 n模擬通信-傳輸模擬信號n數(shù)字通信-數(shù)字信號 模擬信號 模擬信號是指電信號的參量是連續(xù)取值的。模擬信號的特點是幅度連續(xù)。常見的模擬信號有電話、傳真和電視信號等。 數(shù)字信號數(shù)字信號的特點是幅度被限制在有限個數(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的時間間隔對頻帶限于（0，fm）內(nèi)的時間連續(xù)信號f(t)進行等間隔

2、采樣，則f(t)將由所得到的采樣值f(kTs)完全確定。 當采樣頻率大于或等于信號最高頻率的兩倍時，f(t)的全部信息都包含在所有采樣值中而不會丟失，并保證不產(chǎn)生信號的混疊。 量化 將采樣后一個范圍內(nèi)變化的無限個樣值（離散信號），用不連續(xù)變化的有限個值來替代的過程。其作用是將時間域上幅值連續(xù)的樣值序列變換為時間域上幅度離散的樣值序列信號。 編碼 將量化后的所有量化級，按其量化電平的大小次序排列，列出各自對應的碼字，用二進制（或多進制）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（無限個）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 傳輸過程中振幅不會明顯減弱的這一段頻率范圍（HZ）. 計算機科學家 一個信道的最大數(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)傳輸率和可通過諧波的關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，表征了一個信道傳輸數(shù)字信號的能力。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關。n信息傳輸速率R是單位時間所傳輸?shù)男畔⒘?，若已知每個符號的平均信息H和每秒傳輸符號的個數(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，而后者是實際的數(shù)據(jù)傳輸速率。兩個公式奈奎斯特定理（1924年） 最大數(shù)據(jù)速率C=2Blog2V(比特/秒) 信號包含V個等級 無噪聲3KHZ信道不可能以超過6000bps的速率傳輸二進制(兩級）信號香農(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結論n 提高信噪比S/N，能增加信道容量；n 當噪聲功率N趨于0時，信道容量趨于無窮大；n 增加信道頻帶B，并不能無限制地使信道容量增大。傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)是指通信中實際傳送信息的載體。 計算機網(wǎng)絡中采用的傳輸介質(zhì)通?？梢苑譃椋簄有線介質(zhì) n無線介質(zhì) 每一種介質(zhì)在帶寬、吞吐量、傳輸延遲、尺寸、可擴展性以及成本和安裝維護費用等方面都不相同，在實際使用中決定使用哪種傳輸介質(zhì)時，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)，由于它傳輸信號的性能較好，而且既便宜又容易安裝維護，所以主要適用于短距離通信和架設電纜比較容易的場合。n雙絞線n同軸電纜n光纖光纜 雙絞線(twisted pair)內(nèi)導體芯線內(nèi)導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電氣的干擾。（電話系統(tǒng)）雙絞線（計算機網(wǎng)絡）n雙絞線是由不同顏色的4對8芯線組成，每兩條按一定規(guī)則絞織在一起，成為一個芯線對。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，屏蔽的當然在電磁屏蔽性能方面比非屏蔽的要好些，但價格也要貴些（除了IBM設備上用，沒有流行起來）。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這條輸出線路的隊列中，等到這條線路空閑時就將它送往結點F，依此類推直至接收端。32121321332121321報文交換優(yōu)點n電路利用率高。由于報文可以分時共享兩個節(jié)點之間的通道，所以對于相同的通信量來說，報文交換技術對電路的

8、傳輸能力要求更低。n電路交換網(wǎng)中，當通信量增加很大時，就不能接受新的呼叫。而在報文交換網(wǎng)中，通信量大時仍然可以接收報文，但傳輸延遲會增加。n報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網(wǎng)很難做到。n報文交換網(wǎng)絡可以進行速度和代碼的轉換。分組交換分組交換 分組交換技術（Packet Switching）是報文交換的一種改進。它將報文分成若干個分組，每個分組長度設置上限值，有限長度的分組使每個節(jié)點所需的存儲空間減少，同時分組可以存儲到內(nèi)存中，提高交換速度。n結點A有三段數(shù)據(jù)報發(fā)送到結點J，它們以1-2-3的順序發(fā)送到C。在分組1和2到來時，C判斷該數(shù)據(jù)包到E比到H和F的排隊時間都更短，所

9、以它將分組1和2排隊在E上；分組3到來時，C判斷到H的排隊時間最短，于是將分組3排在H的隊列上。相同目的地址的分組選擇不同路徑，則到達目的節(jié)點的順序可能不同，如到達結點H的順序是3-1-2，因此分組到達J后要重新按分組序號排序，以保證報文的有序接收。 32121321332121321分組交換技術的優(yōu)缺點分組交換技術的優(yōu)缺點n分組的傳輸足夠快，時延足夠小，允許進行準實時通信。n采用適應式路由選擇法可把網(wǎng)絡流量均勻地分配給整個網(wǎng)絡，從而避免過長時延的出現(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)點中可以進行碼速和碼型變換n可通過復用技術對各路通信提供可靠服務，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)提供的服務質(zhì)量是逐漸降低的。n分組交換網(wǎng)的節(jié)點機是在計算機基礎上實現(xiàn)的，充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信與計算機技術相結合，這也是目前先進通信技術的一種發(fā)展趨勢三種交換技術的比較電路交換報文交換分組交換能否進行實時通信線路接通后可進行實時會話通信，但不能實時多功能通信非實時、存儲轉發(fā)，不能進行會話式通信可接近實時存儲轉發(fā)，可進行會話式通信網(wǎng)絡傳輸時延小、當建立呼叫時有一定的時延大、報文長短影響時延大小小線路利用率當進行斷續(xù)通信或短報文通信時線路利用率低高高通信速率和碼變換不能進行通信速率和碼變換能能差錯控制功能不具有可具有具有傳輸路由每次通信過程中路由不變每一報文傳遞過程中路由不變可

11、以有不同路由網(wǎng)絡過載的影響隨著網(wǎng)絡負荷加大，受損率增加隨著網(wǎng)絡負荷加大，傳遞時延加大，引起阻塞可進行流量控制，可在一定傳遞時延條件下防止阻塞計費方式按距離和時間計費按字節(jié)或按字節(jié)與連接時間計費按字節(jié)或分組數(shù)及連接時間計費練習n1.比較在一個電路交換網(wǎng)和在一個（負荷輕的）分組交換網(wǎng)上將x比特報文沿k段傳輸路徑傳輸?shù)难訒r。假定線路建立時間是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，每個分組含p個數(shù)據(jù)位和h個報文位，xp+h，線路速率為b bps，傳輸延

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

13、站獲得信號（電話必須具備同時調(diào)節(jié)到兩個頻率的能力）；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個全雙工信道，每個信道由兩個單工信道（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電話，用于管理系統(tǒng) 尋呼信道-基站到移動電話,提醒有呼叫到來 接入信道雙向， 呼叫建立和信道分配, 數(shù)據(jù)- 語音、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.每個單元中的實際可用語音信道通常45個左右AMPS系統(tǒng)的信道系統(tǒng)的信道AMPS的呼叫管理32位序列號 10

14、位數(shù)字的電話號碼電話號碼:區(qū)域號3個數(shù)字用10位表示,用戶號7個數(shù)字用24位表示.34位電話號碼開機時,對預先設置的21條信道掃描,找到最強信號,廣播自己的序列號和電話號,以數(shù)字形式多次被廣播,且?guī)в屑m錯碼.(控制信號都是數(shù)字方式傳輸) 基站收到后,告訴MTSO,記錄新顧客到來.移動電話每隔15分鐘左右重新注冊一次打電話: 將呼叫號碼和自己的標識通過訪問信道發(fā)送,若碰撞,會試著重新發(fā)送,基站接到請求,通知MTSO, MTSO尋找空閑信道,找到,通過控制信道將信號發(fā)回去,移動電話自動切換到被選中的語音信道上,等待對方接聽電話. 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。第二代移動電話2G數(shù)字語音nD-AMPS數(shù)字的高級移動電話系統(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可以動態(tài)改變信道類型n新頻段加入，處理增加的負荷.上行信道1850-1910MHz 下行信道1930-1990MHzn在移動電話端完成數(shù)字化和壓縮.將帶寬為56KbpsPCM編碼降低為8Kbps, 聲音編碼器(vocoder) .n三個用戶可以用時分復用技術共享同一對頻率.每對頻率可以支持25幀/秒,即每幀40ms,分為6個時間槽每幀中三個用戶輪流使用上行和下行數(shù)據(jù)流鏈路每個時槽 324位,其

16、中控制用64位,159位用于壓縮后的語音數(shù)據(jù),101位是糾錯用.對于用戶速率為159*2/40ms=7.95kbps利用更好的壓縮算法可以使語音數(shù)據(jù)的帶寬小于4Kbps一幀可以容納6個用戶D-AMPS的控制n16幀為一個超級幀，某些信息會出現(xiàn)數(shù)次。有6個主要的控制信道：系統(tǒng)配置、實時和非實時控制、呼叫、訪問應答和短消息。n工作方式與AMPS類似n移交方式移動電話利用1/3的不發(fā)送也不接收的時間測試線路質(zhì)量。當發(fā)現(xiàn)信號很弱時，就告訴MTSO,MTSO斷開該連接，同時試圖轉到另一個信號更強的基站上。GSM-全球移動通信系統(tǒng)nD-AMPS應用于美國和日本。其他地區(qū)用GSM.n信道: 蜂窩狀系統(tǒng)，使用

17、頻分復用，每部電話在一個頻率上發(fā)送數(shù)據(jù)，在另一個高一點(高45MHz)的頻率上接收數(shù)據(jù).n900MHZ頻域有124對單工信道(200KHZ寬),使用時分復用技術支持8個獨立的連接TDM幀格式幀格式成幀層次結構成幀層次結構26幀形成一個多幀結構,其中一個用做保留,一個用做控制每幀中8個信道,且信道間留有保護時間30us 共4.615ms 速率 1250/(120/26)=270 833bps 每個信道為 33.854Kbps ,去掉額外開銷,單用戶只有24.7kbps(33.854*547/577*114/148) 用于糾錯前的凈荷,糾錯后13kbps用于語音(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,包含了基站的標識和信道狀態(tài),所有移動站都能監(jiān)視它們的信號強度,了解進入新的蜂窩單元.n專用控制信道 用于移動站的位置更新、注冊和建立呼叫n公共控制信道 尋呼信道,基站用于呼叫移動站有呼叫進入; 隨機訪問信道,允許用戶在專用控制信道上請求一個時間槽,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槽.第三代移動電話3G數(shù)字語音與數(shù)據(jù)n92年,ITU提出IMT-2000. 預期的目標: 高質(zhì)量的語音傳輸 消息服務(代替電子郵件 傳真 聊天等) 多媒體(音樂 視頻 電影 電視) Internet訪問(Web瀏

19、覽 視頻音頻的頁面)n技術提案 WCDMA 愛立信公司提出,使用直接序列擴頻設計使用5MHz帶寬,可以與GSM網(wǎng)絡協(xié)同工作.歐盟將它稱為UMTS( 全球通用的移動通信系統(tǒng))nCDMA2000,由Qualcomm公司提出,是一種直接擴頻設計方案,是IS-95的一個擴展,不能與GSM兼容.與WCDMA的區(qū)別是用了不同的時間片,不同幀時間,頻率和時間同步機制.n99年,兩家公司同意遵守同一個3G標準.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,允許移動站在一個運行語音系統(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：高帶寬、普適性、與其他有線和無線IP網(wǎng)絡的無縫集成（包括802.11接入點）、頻率和資源的自適應管理及高品質(zhì)的多媒體服務。與4G性能水平相當?shù)臒o線網(wǎng)絡 802.16（WiMAX）有線電視n共天線電視n基于有線電視網(wǎng)絡的Internet信號單向傳輸,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有太多的用戶,典型的500-2000戶,但隨著用戶越來越多的通過電纜連接到Internet,需要更加細粒度分解電纜,引入更多光纖節(jié)點n頻譜分配:調(diào)制方案n下行: