第2章.物理層

1、第二章、物理層第二章、物理層1.理論分析研究在一個信道上傳輸數(shù)據(jù)時有些什么樣的本質(zhì)限制。2.三種傳輸介質(zhì)有線的(銅線和光纖)、無線的(地面上的無線電波)和衛(wèi)星。3.三個通信系統(tǒng)(固定的)電話系統(tǒng)、移動電話系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng)。2.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) 通過某種物理特性(比如電壓或者電流)的變化，就可以在線路上傳輸信息。如果用一個以時間t為自變量的單值函數(shù)f(t)來表示電壓或者電流的值，我們就可以對信號的行為進行建模，并且用數(shù)學(xué)的手段對信號進行分析。 2.1.1傅立葉分析 任何一個正常的周期為T的函數(shù)g(t)，都可以展開成多個(可能無限個)正弦和余弦函數(shù)的和：其中，f=1/T是基頻，an和bn是

2、n次諧波(harmonics)的正弦和余弦振幅，C是常數(shù)。這種分解稱為傅立葉級數(shù)(Fourier series)。 111( )sin(2)cos(2) (2-1)2nnnng tCanftbnft2.1.1傅立葉分析 利用傅立葉級數(shù)，一個函數(shù)可以重構(gòu)；也就是說，如果周期T是已知的，振幅也已經(jīng)給定了，那么通過等式(2-1)進行求和可以得到原始函數(shù)g(t)。 一個有限時間的數(shù)據(jù)信號(所有的數(shù)據(jù)信號都是這樣的)可以想象成它在一遍又一遍地重復(fù)整個模式(也就是說，在T-2T之間的信號與0-T之間的信號完全一樣，以此類推)。 2.1.1有限帶寬信號(a)一個二進制信號和它的平方根傅立葉振幅a)對該信號進

3、行傅立葉分析，可以得到系數(shù)an，bn ，c。開始幾項的平方根振幅 如圖右邊所示。我們之所以對這些值感興趣，是因為它們的平方與對應(yīng)頻率處傳輸?shù)哪芰砍烧取?2nnab2.1.1有限帶寬信號(2) 所有的傳輸設(shè)施在傳輸過程中都要損失一些能量。如果所有的傅立葉分量都等量地衰減，則結(jié)果信號將會在振幅上有所減小，但不會變形。所有的傳輸設(shè)施對于不同傅立葉分量的衰減并不相同，因此會導(dǎo)致信號變形。 通常情況下，在從0到某一個頻率fc這一段范圍內(nèi)，振幅在傳輸過程中不會衰減，而在此截止頻率fc之上的頻率所對應(yīng)的振幅都會有不同程度的減弱。這里fc可以用Hz(赫茲)來度量。2.1.1有限帶寬信號(3) 傳輸過程中振幅

4、不會明顯減弱的這一段頻率范圍稱為帶寬(bandwidth)。在實踐中，截止頻率并不會那么明顯，所以，通常引用的帶寬是指從0到某一個能保留一半能量的頻率處。 帶寬是傳輸介質(zhì)的一種物理特性，通常取決于介質(zhì)的材料構(gòu)成、厚度和長度。2.1.1有限帶寬信號(4)如果傳輸設(shè)施的帶寬很低，以至于只有幾個最低的頻率才能被傳輸?shù)脑?，也就是說只取傅立葉級數(shù)的前面幾項作為信號函數(shù)的近似值，那么信號會變成怎么樣呢？8個諧波4個諧波諧波號1個諧波2個諧波2.1.1有限帶寬信號(5) 假設(shè)比特率為每秒b，發(fā)送8比特信息所需要的時間為8/b秒。因而一次諧波的頻率為b/8Hz，普通的電話線稱為話音級線路，因此人為設(shè)置的截止頻

5、率大約為3000Hz。這個限制意味著最高諧波次數(shù)大約為3000/(b/8)次或24000/b次。2.1.1有限帶寬信號(6)數(shù)據(jù)傳輸率和諧波之間的關(guān)系如果數(shù)據(jù)傳輸速率超過了38.4kbps，即使傳輸設(shè)備沒有任何噪聲，也不可能傳輸任何二進制信號。限制了帶寬，也就限制了數(shù)據(jù)傳輸率。第1個諧波發(fā)送的諧波數(shù)2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 尼奎斯特定理 如果任意一個信號已經(jīng)通過了一個帶寬為H的低通濾波器，則只要每秒2H(要求精確)次采樣，過濾之后的信號就可以被完全重構(gòu)出來。采樣率超過每秒2H次是沒有意義的，因為通過采樣恢復(fù)出來的高頻成分已經(jīng)被濾掉了。如果該信號電平分為V級，則 最大數(shù)據(jù)傳輸速率= 例如

6、，無噪聲的3kHz信道不可能以超過6000bps的速率傳輸二進制(即只有兩級)信號。 b/s log22VH S/N 為信噪比。S為信號功率， N為噪聲功率。通常情況下，人們并不使用信噪比本身，而是使用10log10S/N的值，該值稱為分貝(dB)。信噪比S/N為10，則稱為10dB；信噪比為100，則稱為20dB；信噪比為1000，則稱為30dB；等等。 香農(nóng)定理 最大數(shù)據(jù)傳輸速率(b/s) =2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 (2) )/1 (log2NSH 例如，假設(shè)一條信道的帶寬為3000Hz，信噪比為30dB(這是電話系統(tǒng)中模擬部分的典型參數(shù))，則不管傳輸?shù)男盘柤墧?shù)是多少，也不管采樣

7、頻率是多少，該信道上最大數(shù)據(jù)傳輸率不超過30000bps。香農(nóng)的結(jié)論可以從信息論的角度推演得到，并且適用于任何熱噪聲信道。2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 (3)2.2 有導(dǎo)向的傳輸介質(zhì) 物理層的目的是將原始位流從一臺機器傳輸?shù)搅硪慌_機器上。有多種物理介質(zhì)可以用于實際的傳輸過程。每一種介質(zhì)都有它自己的特性，包括帶寬、延遲、造價，以及安裝和維護的難易程度。大致上可以將介質(zhì)分為導(dǎo)向的介質(zhì)(比如銅線和光纖)和無導(dǎo)向的介質(zhì)(比如空氣中的無線電波和激光)。2.2.1 磁介質(zhì) 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Ultrium磁帶可以容納200GB(字節(jié))信息。一個606060cm的箱子可以裝下1000個這樣的磁帶，所以總?cè)萘繛?

8、00TB，或者1600Tb(即1.6Pb)。通過快遞公司，在24小時之內(nèi)這一箱磁帶可以投遞到美國任何一個地方。這樣一次傳輸?shù)挠行捠?600terabits/86,400s，或者19Gbps。如果離目標(biāo)只有 一小時路程的話，則帶寬可以超過400Gbps。現(xiàn)在沒有一個計算機網(wǎng)絡(luò)可以達到這樣的傳輸能力。 2.2.1 磁介質(zhì)(2) Ultrium磁帶的批發(fā)價大約是40美元。 一盒磁帶至少可以重用10次，所以每一箱磁帶每一次使用的代價差不多是4000美元。再加上運輸?shù)馁M用大約是1000美元，我們可以計算出，運送200TB的成本大約是5000美元。這樣算下來，運輸1GB數(shù)據(jù)的費用不到3美分。沒有一個網(wǎng)

9、絡(luò)能與它競爭。2.2.2 雙絞線(a) 3類UTP(16MHz).(b) 5類UTP(100MHz).2.2.3 同軸電纜同軸電纜示意圖銅芯絕緣材料網(wǎng)狀導(dǎo)體保護性塑料外層2.2.4 光纖 計算機運行的時鐘速度差不多每10年增長20倍。 例如1981年，IBM PC的時鐘速度是4.77MHz。今天的PC可以運行在2GHz上。但是，廣域數(shù)據(jù)通信從56KHz發(fā)展到1Gbps，每10年增長125倍還多。而錯誤率從每位10-5下降到幾乎為0。 單個CPU開始接近物理的極限。相反，利用當(dāng)前的光纖技術(shù)，可以達到的帶寬肯定會超過50Tbps。限制是我們不能更快地在電和光學(xué)信號之間進行轉(zhuǎn)換。2.2.4 光纖 一

10、個光纖傳輸系統(tǒng)有三個關(guān)鍵部件：a) 光源：一個光脈沖表示位“1”，無光則表示位“0”。b) 傳輸介質(zhì)：一根極細的玻璃纖維。c) 檢測器。光照到檢測器上會產(chǎn)生一個電脈沖。在光纖的一端放上一個光源，另一端放上一個檢測器，我們就有了一個單向的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它接受電信號，轉(zhuǎn)換成光脈沖并傳輸出去，然后在接收端重新轉(zhuǎn)換成電信號。 2.2.4 光纖a) 由于任何入射角度大于臨界值的光束都會在內(nèi)部反射，所以許多不同的光束可以在不同的反射角傳播?？梢赃@樣說，每一束光都有不同的模式(mode)，所以，一根具有這種特性的光纖稱為多模光纖(multimode fiber)。b) 如果光纖的直徑減小到幾個光波波長大小的

11、時候，則光纖就如同一個波導(dǎo)，光只能按直線傳播了，而不會反射，這樣的光纖稱為單模光纖(single-mode fiber)。 空氣二氧化硅空氣/二氧化硅的邊界光源完全內(nèi)部反射通過光纖傳輸光a) 光通過玻璃的衰減取決于光的波長(以及玻璃的某些物理特性)。對于光纖中所使用的玻璃而言，這種衰減如圖所示。圖中顯示了光譜中接近紅外區(qū)域的光通過每公里光纖衰減的分貝。衰減的分貝數(shù)可由下列公式計算：衰減的分貝數(shù)=10lg(傳輸?shù)哪芰?接收的能量)例如，如果損失了一半能量，則衰減為10lg2=3dB。通過光纖傳輸光(2)紅外區(qū)域的光通過光纖時的衰減情況波長/m衰減（dB/km）光纖(a) 單根光纖的結(jié)構(gòu)(b) 三

12、根光纖封起來的截面芯(玻璃)封套(玻璃)外套(塑料)外殼芯外套封套光纖(2)光纖的連接方式a)連接器：損失大約10%20%的光。b)機械接合：會有10%的光損失。c)熔合：幾乎和單根光纖一樣好，但仍存在少量的衰減。d)光源信號：LED和半導(dǎo)體激光。e)波長調(diào)節(jié)：在光源和光纖之間插入干涉計。f)接收端：光敏二極管。響應(yīng)時間為1ns。光纖(2)半導(dǎo)體激光和LED作為光源的比較半導(dǎo)體激光高多?；騿文ｉL壽命短敏感昂貴低多模短壽命長小成本低數(shù)據(jù)傳輸速率光纖類型距離壽命溫度敏感性成本光纖網(wǎng)絡(luò)帶有有源中繼器的光纖環(huán)網(wǎng)計算機接口光纖光纖光接收器(光敏二極管)信號再生器(電子)光發(fā)送器(LED)光傳播方向到或來

13、自計算機銅線光纖網(wǎng)絡(luò)(2)光纖網(wǎng)絡(luò)中的無源星形連接接收器發(fā)送器每根進線照亮性型中所有線每根出線能看見所有進線的光計算機接口光纖和銅線的比較光纖的優(yōu)點能處理更高的帶寬。具有相對較低的衰減。不受電源震蕩、電磁干擾以及電源故障的影響。不受腐蝕性化學(xué)物質(zhì)侵蝕。難以接入，具有高安全性。將來，凡是超過幾米距離的所有固定數(shù)據(jù)通信顯然都應(yīng)該使用光纖。電話公司的理由：光纖細小而且重量輕?？梢则v出管道空間，降低機械支撐系統(tǒng)的需要。2.3 無線傳輸2.3.1電磁波譜當(dāng)電子運動的時候，它們就會產(chǎn)生電磁波，而電磁波可以在空氣中傳播。電磁波每秒振動的次數(shù)稱為它的頻率f，可以用Hz來度量。兩個相鄰的波峰(或者波谷)之間的距

14、離稱為波長。在真空中，所有的電磁波按同樣的速度傳播，跟頻率無關(guān)。這個速度稱為光速 c。在銅線或者光纖中，電磁波的速度大約是光速的2/3，并且和頻率稍有關(guān)系。f、 和c之間的基本關(guān)系是：f=c2.3.1電磁波譜(2)電磁波譜和它在通信中的用途無線電微波紅外光可見光X射線伽瑪射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星光纖地面微波AM無線電FM無線電海事通信2.3.1電磁波譜(3)電磁波可以承載的信息量與它的波長有關(guān)。利用當(dāng)前技術(shù)，在低頻處每個赫茲編碼少量幾位信息是可以做到的，但是在高頻處通常可以編碼8位信息，所以750MHz帶寬的同軸電纜可以承載幾個Gbps。跳頻擴頻技術(shù)跳頻擴頻技術(shù)：發(fā)送方每秒幾百次地從一個頻率跳到

15、另一種頻率。直接序列擴頻直接序列擴頻：移動電話。2.3.2 無線電傳輸無線電波的特性與頻率有關(guān)。在低頻部分，無線電波能夠很好地穿透障礙物，但是隨著離開源越來越遠，能量急劇減少。在高頻部分，無線電傾向于按直線傳播，并且會受到障礙物的阻擋。無線電波會被雨水吸收。在所有頻段上，無線電波都會受到發(fā)動機和其它電子設(shè)備的干擾。2.3.2無線電傳輸(2)(a) 在 VLF, LF和 MF波段，無線電波沿著地面?zhèn)鞑?b) 在 HF波段，無線電波被電離層折射回來地面波地球表面地球表面電離層2.3.3 微波傳輸 在100MHz以上的頻段內(nèi)，電波幾乎按直線傳播，因此它們可以被聚集成窄窄的一束。通過拋物線形狀的天線，

16、可以把所有的能量集中于一小束，從而獲得極高的信噪比，但是發(fā)射端和接收端的天線必須精確地相互對齊。而且，這種方向性也允許多個排成一行的發(fā)射器與多個排成一行的接收器進行通信，只要它們的空間排布有規(guī)則，相互之間就不會干擾。在光纖出現(xiàn)之前的幾十年時間中，這種微波構(gòu)成了長途電話傳輸系統(tǒng)的核心。 2.3.3 微波傳輸(2)微波傳輸?shù)娜秉c微波傳輸?shù)娜秉c：地球本身會阻擋微波的傳輸路徑。因此，需要一個中繼器。微波不能很好地穿透建筑物，會產(chǎn)生多路衰減。高頻段微波只有幾厘米的波長，會被雨水吸收。微波傳輸?shù)膬?yōu)點微波傳輸?shù)膬?yōu)點：不需要路權(quán)。相對比較廉價。電磁波譜的政策頻段分配問題頻段分配問題a) 選美比賽法：導(dǎo)致腐敗。

17、b) 抓鬮：c) 拍賣：給承運商留下太多的債務(wù)。d) 根本不分配頻率，但是對所用的功率進行管制：大多數(shù)政府留出一些頻段，稱為ISM(Industrial，Scientific，Medical)用于非授權(quán)用戶。電磁波譜的政策(2)美國的ISM(Industrial，Scientific，Medical)頻段帶寬頻率藍牙和有些802.11無線LAN工作在這個頻段802.11a用到了這個頻段2.3.4 紅外線和毫米波 無導(dǎo)向的紅外線和毫米波有方向性、便宜、易于制造，廣泛應(yīng)用于短距離通信。 紅外線不能通過固體物質(zhì)，因此一個建筑物的某個房間中的一個紅外系統(tǒng)不會干擾相鄰房間或者相鄰建筑物內(nèi)的另一個類似的系

18、統(tǒng)。所以無需政府批準(zhǔn)。 紅外通信在桌面環(huán)境中也有一定的用途，例如，將筆記本計算機與打印機連接起來。 在整個通信領(lǐng)域中，它并沒有重要的地位。2.3.5光波傳輸氣流可以干擾激光通信系統(tǒng) 。這里顯示了一個具有兩個激光源的雙向系統(tǒng)光接收器擾動區(qū)大樓產(chǎn)生的熱氣流激光束偏離了接收器激光2.4 通信衛(wèi)星 早在20世紀50年代和60年代初期，人們嘗試利用金屬化的氣象氣球?qū)π盘柕姆瓷渥饔脕斫⑼ㄐ畔到y(tǒng)。后來，美國海軍通過月球?qū)π盘柕姆瓷渥饔媒⒘艘粋€可實際運行的船-岸通信系統(tǒng)。 第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射上天，天體通信領(lǐng)域有了進一步發(fā)展。 想象成天空中一個大的微波中繼器。對近來的信號進行放大，在另一個頻率上重新發(fā)射出去

19、。2.4 通信衛(wèi)星 通信衛(wèi)星和它們的一些特征，包括離地球的高度、上下往返的延遲時間、為覆蓋整個地球所需要的衛(wèi)星數(shù)高度(km) 類型 延遲(ms) 需要的衛(wèi)星數(shù) 地球同步軌道 中間地球軌道 低地球軌道 上范艾倫帶 下范艾倫帶2.4.1 地球同步衛(wèi)星1962年第一顆人造通信衛(wèi)星(Telstar)發(fā)射上天，這些高空中飛行的衛(wèi)星通常稱為GEO(Geostationary Earth Orbit，地球同步軌道)衛(wèi)星。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，在360 的赤道平面上，同步衛(wèi)星之間的距離小于2是不明智的。因此最多只能有180顆同步衛(wèi)星。軌道槽的分配問題：由ITU完成。保持站位問題：通過火箭發(fā)動機微調(diào)。2.4.1

20、地球同步衛(wèi)星(2)基本的衛(wèi)星頻段 地球同步衛(wèi)星的軌道槽和頻率分配工作是由ITU完成的。頻段下行鏈路上行鏈路帶寬問題低帶寬，擁擠低帶寬，擁擠地面干擾雨水雨水，設(shè)備成本2.4.1 地球同步衛(wèi)星(3)第一顆地球同步衛(wèi)星只有一個空間波束，它大約可以覆蓋地球表面的1/3，這個范圍稱為它的足跡足跡(footprint)。每顆同步衛(wèi)星都裝了多個天線和異頻發(fā)射應(yīng)答器。每個下行波束可以聚集到很小的地理區(qū)域中，所以多個上行和上行傳輸可以同時進行。這些所謂的點波束點波束(spot beam)是橢圓形的，可以小到只有幾百公里。2.4.1 地球同步衛(wèi)星(4)使用中心站的VSAT低成本的微型站：VSAT(Very Sma

21、ll Aperture Terminals)。上行19.2kbps下行512kbps中心站2.4.1 地球同步衛(wèi)星(5)通信衛(wèi)星的特性：a)較長的距離造成了相當(dāng)?shù)难舆t，GEO端到端的傳輸時間大約在250300ms之間。地面微波鏈路的傳輸延遲大致上是3s/km；同軸電纜和光纖鏈路大約是5s/km。b)天生是一種廣播介質(zhì)。向上千個站發(fā)送一條消息與發(fā)送給一個站的成本是一樣的?？缭胶Ｑ蟮臅挿?wù)不比跨越街道的會話服務(wù)更貴。c)加密是必需的。d)部署起來極為快速。2.4.2 中間軌道衛(wèi)星MEO(Medium-Earth Orbit，中間地球軌道中間地球軌道)衛(wèi)星比GEO低，所以在地面上的足跡要小一些，但

22、是功率弱一些的發(fā)射器也能夠到達這些衛(wèi)星。24顆GPS(Global Positioning System全球定位系統(tǒng) )衛(wèi)星的軌道大約在18000公里的高度。2.4.3 低軌道衛(wèi)星LEO(Low-Earth Orbit，低地球軌道低地球軌道) 衛(wèi)星運動速度極快，所以一個完整的系統(tǒng)需要大量的LEO衛(wèi)星。與地球相距如此之近，地面站不需要多大的功率，而且上下往返的延遲往往只有幾毫秒。Iridium(銥星計劃)1990年，Motolola向FCC提交申請，要求發(fā)射77棵低軌道衛(wèi)星用于銥計劃。基本思路是，一旦一棵衛(wèi)星移出了視線，另一棵衛(wèi)星立即就能替代它。1997年發(fā)射上天，1998年11月開始提供通信服

23、務(wù)。1990年后移動電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，相反，衛(wèi)星電話的商業(yè)需求卻被忽略了。1999年8月宣布破產(chǎn)。2001年3月服務(wù)又重新開始。依星計劃(2)(a)Iridium 的衛(wèi)星構(gòu)成了6條項鏈，覆蓋了整個地球(b)1628個移動的蜂窩覆蓋了地球高度在750kmGlobalstara)Globalstar系統(tǒng)有48顆LEO衛(wèi)星，但是使用了不同于銥星的交換方案。由于銥星需要在衛(wèi)星之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以衛(wèi)星上要有復(fù)雜的交換設(shè)備，而Globalstar使用了傳統(tǒng)的彎曲管道設(shè)計。呼叫信號被送回到地球上。然后通過地面網(wǎng)絡(luò)該呼叫被路由到另外一個地面站(位于被呼叫者附近)，并且通過一個彎曲管道連接遞交給被呼叫者。Glob

24、alstar(a) Iridium在太空中轉(zhuǎn)發(fā)信號(b) Globalstar在地面上轉(zhuǎn)發(fā)信號 在空中通過衛(wèi)星交換 彎曲管道衛(wèi)星 在地面上交換Teledesica)Teledesic的目標(biāo)是遍布全球的、對帶寬需求非常大的Internet用戶。b)上行鏈路100Mbps，下行鏈路720Mbps。c)30顆衛(wèi)星，使用Ka頻段。d)在空中分組交換。當(dāng)一個用戶需要帶寬來發(fā)送分組的時候，系統(tǒng)大約在50ms之內(nèi)接受請求，并完成動態(tài)分配。衛(wèi)星和光纖a)1984年，電話公司開始用光纖代替長途電話網(wǎng)絡(luò)，并且引入了ADSL這樣的高帶寬服務(wù)。地面的光纖似乎是贏家。b)光纖基本上用于電話系統(tǒng)內(nèi)部，不是為用戶提供高帶寬

25、服務(wù)。但是，通過衛(wèi)星可以做到。c)光纖對移動通信沒有任何用處，衛(wèi)星鏈路有這樣的潛力。蜂窩電話和光纖可以提供移動通信，但是對于在空中或者海上的人來說可能就不行了。d)通過衛(wèi)星大量發(fā)送信息比地面模擬廣播更加便宜。衛(wèi)星和光纖(2)a)適合位于惡劣地形或地面設(shè)施很差的地區(qū)通信。b)適用于很難獲得路權(quán)來鋪設(shè)光纖的地區(qū)，或者獲得路權(quán)的代價太高的地區(qū)。c)當(dāng)快速部署網(wǎng)絡(luò)顯得非常重要時，例如：軍事通信系統(tǒng)。d)看起來將來的主流通信是地面光纖與蜂窩無線電通信的結(jié)合，但是對于某些特殊用途，衛(wèi)星通信更有優(yōu)勢。如果部署衛(wèi)星的成本大大下降，或者低軌道衛(wèi)星抓住了市場機遇，光纖未必會贏。2.5 公共交換電話網(wǎng)絡(luò)a)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

26、者必須使用已有的電信設(shè)施。b)公共交換電話網(wǎng)絡(luò)公共交換電話網(wǎng)絡(luò) (PSTN，Public Switched Telephone Network)是多年前設(shè)計的，用于傳輸語音信號。勉強用于計算機通信。c)連接特性的比較1)計算機之間通過電纜連接：109bps。2)撥號線路：56kbps。3)ADSL連接：8Mbps下行，1Mbps上行。如何有效地使用公共交換電話網(wǎng)絡(luò)？2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)a)1876，Bell獲得了電話專利。一對電話一條線。b)1878，組建Bell電話公司，開放第一個交換局。c)發(fā)明了二級交換局，最終增長到5級。2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(2)a)1890年，電話系統(tǒng)的三個主

27、要部分已經(jīng)具備了：交換局、顧客與交換局之間的線路，交換局之間的長距離連接。保持了100多年沒有變化。b)1984年之前，電話系統(tǒng)被組織成一個高度冗余的、多層次的結(jié)構(gòu)。每部電話機有兩根銅線伸出來，直接連接到電話公司最近的端局端局(end office)，這段距離通常是110km。每個用戶的電話機和端局之間的雙線連接稱為本地回路本地回路(local loop)。如果世界上所有的本地回路都端到端連接起來，則其長度相當(dāng)于到月球來回1000次的長度。 2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(3)a)如果連接到某個端局的用戶呼叫另一個也連接到該端局的用戶，則局內(nèi)的交換機制會在這兩個本地回路之間建立起一個直接的電連接。在

28、通話過程中，這個連接保持不變。 b)每個端局都有一些長途連接干線長途連接干線(toll connection trunk)連接到一個或者多個附近的交換中心，這些交換中心稱為長途局長途局(toll office)，如果它們在同一個局部地區(qū)的話，則稱為匯接局匯接局(tandem office)。2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(4)a)某個端局的用戶呼叫另一個端局的用戶。b)如果呼叫方和被呼叫方的端局碰巧都有一條長途干線連接到同一個長途局(如果他們相距很近的話，則這種可能性很大)，那么雙方的連接就可能在這個長途局內(nèi)建立起來。 c)如果呼叫方和被呼叫方?jīng)]有共同的長途局，那么他們之間的路徑將在更高層次上的某個

29、地方建立起來。初級局(primary office)、區(qū)域局(sectional office)和地區(qū)局(regional office)形成了一個網(wǎng)絡(luò)，長途局連接到這一網(wǎng)絡(luò)中。 2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(5)a)長途局、初級局、區(qū)域局和地區(qū)局通過高帶寬的內(nèi)部長途中繼線(intertoll trunk，或者interoffice trunk)相互交換信息。不同種類交換中心的數(shù)目以及它們的拓撲結(jié)構(gòu)隨著國家的不同而不同，這取決于每個國家的電話的密度。 本地回路 端局長途局中心交換局長途局 端局長途連接干線很高帶寬的長途局之間的干線長途連接干線 本地回路2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(6)過去，整個電話系

30、統(tǒng)中傳輸?shù)男盘柖际悄M的，實際的語音信號以電壓的形式從源端傳輸?shù)侥繕?biāo)端。現(xiàn)在，所有的干線和交換設(shè)備都是數(shù)字的，只有本地回路仍然是模擬的。對于數(shù)字傳輸而言，只需要能夠正確地區(qū)分0和1就足夠了。這種特性使得數(shù)字傳輸比模擬傳輸更加可靠，維護更加容易，維護成本也要便宜。 2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(7)電話系統(tǒng)是由三個主要的部件構(gòu)成的(1) 本地回路本地回路(雙絞線進入家庭和業(yè)務(wù)部門，模擬信號)；這個系統(tǒng)中最為脆弱的鏈路。(2) 干線干線(通過光纖將交換局連接起來，數(shù)字信號)；如何將多個呼叫收集起來，并且通過同一條光纖將它們發(fā)送出去。這項技術(shù)稱為多路復(fù)用。(3) 交換局交換局(電話呼叫從一條干線接入到另

31、一條干線)。電路交換與分組交換。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)1984年1月1日，AT&T公司被分解為AT&T長話公司(AT&T Long Lines)、23個BOC(Bell Operating Company，Bell運行公司)和其他一些部門。23個BOC又被組織成7個區(qū)域性BOC(RBOC)，以便使它們在經(jīng)濟上可以繼續(xù)生存下去。這次事件導(dǎo)致了更為激烈的競爭、更好的服務(wù)，以及更低的長途電話價格。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(2)整個美國分成164個LATA(Local Access and Transport Areas，本地訪問和傳輸區(qū)域本地訪問和傳輸區(qū)域)。粗

32、略地來說，一個LATA是指可以由一個地區(qū)碼來覆蓋的大 區(qū) 域 。 在 每 個 L ATA 的 內(nèi) 部 ， 只 有 一 個LEC(Local Exchange Carrier，本地交換承運商本地交換承運商)，它壟斷了該區(qū)域內(nèi)部的傳統(tǒng)電話服務(wù)。但是，禁止LEC提供跨LATA的電話服務(wù)。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(3)LATA之間的所有流量是由另一種不同類型的公司IXC(IntereXchange Carrier，跨區(qū)域交換承運商跨區(qū)域交換承運商)來處理的。但是，禁止IXC提供本地電話業(yè)務(wù)。確保所有的IXC在線路質(zhì)量、價格，以及顧客為了使用IXC而撥打的電話號碼位數(shù)等方面，都能夠被同等對待。最初

33、，AT&T長話公司是惟一正式的IXC，但是現(xiàn)在WorldCom和Sprint公司也是組建良好的IXC業(yè)務(wù)競爭者。2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(4)LATA, LEC和IXC之間的關(guān)系. 所有的圓圈都是 LEC交換局，每個六邊形都屬于某一個 IXC，內(nèi)部的數(shù)字標(biāo)明了該IXC的號碼2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(5)任何一個IXC，如果它想處理來自某個LATA的呼叫 ， 則 可 以 在 這 個 L ATA 中 建 立 一 個 稱 為POP(Point of Presence，匯接點匯接點)的交換局。LEC負責(zé)將每個IXC連接到每個端局，可以是直接的連接，也可以是間接的連接。而且，這種連接關(guān)系

34、，無論從技術(shù)方面還是經(jīng)濟方面來看，對所有的IXC都必須一視同仁。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(6)技術(shù)的發(fā)展：有線電視和移動電話。法律變得過時：LEC和IXC購買或兼并有線電視和移動電話運營商。維護各種公司之間的業(yè)務(wù)界限不再可行。1996年法案的新思路：任何公司都可以提供全套的綜合服務(wù)，在服務(wù)和價格上進行競爭。有趣的特點：要求LEC實現(xiàn)本地電話號碼的可移動性，從而加劇了競爭。2.5.3 本地回路 從計算機到計算機的呼叫同時用到了模擬和數(shù)字傳輸，在調(diào)制解調(diào)器和編碼解碼器之間完成數(shù)模轉(zhuǎn)換 調(diào)制解調(diào)器 本地回路(模擬，雙絞線) 中帶寬干線(數(shù)字，光纖) 端局高帶寬干線(數(shù)字，光纖) 數(shù)字線1000

35、0條本地回路 調(diào)制解調(diào)器群最后一公里2.5.3 本地回路(2)1)衰減(attenuation)：衰減是指在信號往外傳播的過程中能量的損失。傅立葉級數(shù)中的一些分量。每個分量被衰減的程度不一樣，因而導(dǎo)致了在接收方得到一個完全不同的傅立葉頻譜。 2)延遲畸變(delay distortion)：不同的傅立葉分量在線路上的傳播速度也不同。這種速度的差異會導(dǎo)致接收端信號的畸變。 3)噪聲(noise)：指一些來自于非發(fā)射器的多余能量。熱噪聲、串音、脈沖噪聲。 2.5.3 調(diào)制解調(diào)器a)衰減和延遲畸變都與頻率有關(guān)。 但是，在數(shù)字信號中使用的方波有一個很寬的頻譜，因而它的衰減和延遲畸變很嚴重。所以基帶(D

36、C)信號只能在低速和短距離的情況下使用。b)采用交流(AC)信號傳輸。引入1000-2000Hz范圍內(nèi)的一個連續(xù)波，稱為正弦載波正弦載波(sine wave carrier)。它的振幅、頻率或相位被調(diào)制后可用來傳輸信息。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(2)一個二進制信號調(diào)幅調(diào)頻相位調(diào)制相位改變處2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(2)a)如果一個設(shè)備接受一個位序列作為輸入，并且產(chǎn)生一個經(jīng)過以上一種(或者多種)方法調(diào)制的載波輸出(或者輸入輸出正好相反)，則這樣的設(shè)備稱為調(diào)制調(diào)制解調(diào)器解調(diào)器(modem，代表代表modulator-demodulator)。b)調(diào)制解調(diào)器位于計算機(數(shù)字)和電話系統(tǒng)(模擬)之間。大多

37、數(shù)調(diào)制解調(diào)器采樣率為2400次/秒，為了獲得更高的速度，研究的焦點集中在每次采樣如何表達更多的位信息。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(3) 采樣率為2400次/秒就是說每秒傳輸2400個碼元。如果該碼元用0伏電壓表示邏輯0， 1伏電壓表示邏輯1，則位傳輸率為2400bps。然而，如果0、1、2和3伏電壓都使用的話，則每個碼元可以包含2位，因此，2400波特的線路可以傳輸2400碼元/秒，數(shù)據(jù)傳輸率為4800bps。 使用四種可能的相移的話，每個碼元也可以表達2位。這種技術(shù)稱為QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控正交相移鍵控)。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(4)1

38、)帶寬：在最小衰減的情況下能夠通過這種介質(zhì)的頻率范圍。它是介質(zhì)的一種物理特性，度量單位為Hz(赫茲)。2)波特率：每秒鐘的采樣次數(shù)。3)碼元：每次采樣發(fā)送的一份信息。因此，波特率和碼元率是相同的。4)位傳輸率：一條信道上發(fā)送的信息的數(shù)量，它等于每秒采樣數(shù)乘以每次采樣的位數(shù)。 2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(5)QPSK：每個碼元傳輸2位QAM-16：每個碼元傳輸4位QAM-64：每個碼元傳輸6位a)振幅和相位的合法組合，這些圖形稱為星座圖星座圖。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(6)a)糾錯機制：TCM (Trellis Coded Modulation，格子格子架編碼調(diào)制架編碼調(diào)制)。b)V.32標(biāo)準(zhǔn)使用了3

39、2個星座點，每個碼元傳輸4個數(shù)據(jù)位和1個奇偶校驗位，在2400波特率上可以達到9600bps(帶糾錯特性)。V.32bis的星座模型有128個點，每次采樣傳輸6個數(shù)據(jù)位和1個奇偶校驗位。c)V.34標(biāo)準(zhǔn)每次采樣傳輸12個數(shù)據(jù)位，28.8kbps。 V.34bis標(biāo)準(zhǔn)每次采樣傳輸14個數(shù)據(jù)位，33.6kbps。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(7)(a) 傳輸速率為9600 bps的 V.32，4個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位。(b) 傳輸速率為14,400 bps的 V32 bis， 6個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位。(a)(b)2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(8)a)為什么標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器在33.6kbps上停住？電話系統(tǒng)

40、的香農(nóng)限制大約是35kbps。 35kbps與本地回路平均長度，以及這些線路的質(zhì)量有關(guān)。如果消除一端的本地回路，則最大速率可以增加一倍，即70kbps。b)為什么使用56kbps調(diào)制解調(diào)器？電話信道的帶寬大約是4000Hz(包括防護頻段)。根據(jù)尼奎斯特定理，最大采樣次數(shù)為8000。在美國，每次采樣位數(shù)是8，其中數(shù)據(jù)位是7位，所以允許用戶每秒傳輸56000位。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(9)a)V.90標(biāo)準(zhǔn)提供33.6kbps的上行信道(從用戶到ISP)和56kbps的下行信道(從ISP到用戶)。b)V.92標(biāo)準(zhǔn)：如果線路允許，上行信道可以達到48kbps。2.5.3 數(shù)字用戶線路電話公司(LEC)

41、開始意識到，他們需要一種更具競爭力的產(chǎn)品。他們給出的答案是：利用本地回路提供新的數(shù)字服務(wù)。 開始的時候，有許多相互重疊的服務(wù)都使用了xDSL(Digital Subscriber Line，數(shù)字用戶線路數(shù)字用戶線路)這樣的一般性名稱，只是x不同而已。下面我們將討論這些服務(wù)，但是主要焦點集中在一種可能會變得最為流行的服務(wù)上：ADSL(Asymmetric DSL，非對稱非對稱數(shù)字用戶線路數(shù)字用戶線路)。 2.5.3 數(shù)字用戶線路(2) 調(diào)制解調(diào)器為什么慢調(diào)制解調(diào)器為什么慢？電話的發(fā)明是為了承載人類的語音。每條本地回路都在端局那里被終止，就在這個終止的點上，有一個濾波器把所有300Hz以下、340

42、0Hz以上的頻率都減弱了。 使使xDSL工作的訣竅工作的訣竅是，本地回路被連接到另一種不同的交換機上，這種交換機上沒有濾波器。于是，限制的因素就變成了本地回路的物理特性，而不再是人工加入的濾波器所建立起來的3100Hz帶寬限制。 2.5.3 數(shù)字用戶線路(3)3類 UTP用于DSL時帶寬與距離的關(guān)系.當(dāng)電話公司承諾提供某一速度的傳輸率的時候，它也同時劃定了一個以端局為中心的圓。2.5.3 數(shù)字用戶線路(4)所有的xDSL服務(wù)都有一些特定的設(shè)計目標(biāo)。1) 這些服務(wù)必須在現(xiàn)有的3類雙絞線本地回路上工作。2) 它們不能影響顧客原來的電話機和傳真機。3) 它們必須比56kbps還要快。4) 這些服務(wù)應(yīng)

43、該總是可用的，并且按月租方式收費，而不是按每分鐘收費。2.5.3 數(shù)字用戶線路(5)最初的ADSL服務(wù)是AT&T公司提供的，它的工作原理是，將本地回路上可供使用的頻譜(大約是l.1MHz)分成三個頻段：1) POTS(Plain Old Telephone Service，傳統(tǒng)的簡單電傳統(tǒng)的簡單電話服務(wù)話服務(wù))、2) 上行數(shù)據(jù)流(從用戶到端局)3) 下行數(shù)據(jù)流(從端局到用戶)。使用多個頻段范圍的技術(shù)稱為頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用 。2.5.3 數(shù)字用戶線路(6)使用DMT(Discrete MultiTone，離散的多信道調(diào)制)的ADSL頻譜劃分方案256條4kHz的信道下行數(shù)據(jù)流上行數(shù)

44、據(jù)流語音功率2.5.3 數(shù)字用戶線路(3)一個典型的 ADSL設(shè)備配置圖電話線電話分離器計算機以太網(wǎng)分離器編解碼器電話公司端局用戶語音交換機網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備 1996 年以后，在美國等國家，允許其它公司開展本地電話服務(wù)。 如何將顧客的電話機和計算機連接到新開張的端局呢?購買必要的路權(quán)并且鋪設(shè)電話線或者光纖可能會非常昂貴。許多競爭者發(fā)現(xiàn)了一種比傳統(tǒng)的雙絞線本地回路更加廉價的方案：WLL(Wireless Local Loop，無線本地回路)。2.5.3 無線本地回路 三個關(guān)鍵的技術(shù)區(qū)別：1)無線本地回路的消費者通常希望具備高速的Internet連接能力，其速度至少等于ADSI。2)新的顧客可能并不介

45、意在他家的屋頂上安裝一個大的有向天線指向端局。3)用戶并不移動，從而消除了因為移動和蜂窩之間移交而帶來的所有問題。 2.5.3 無線本地回路-2 1998年，2.1GHz，每個頻道各6MHz，2.5GHz，總共198MHz (31個頻道)用于無線本地回路。 在這些頻率上，微波的波長是1012cm長。它們的傳輸范圍大約是50km，穿透植物和雨水的能力還算可以。所提供的服務(wù)名稱為MMDS(Multichannel Multipoint Distribution Service，多信道多點分發(fā)服務(wù))。2.5.3 無線本地回路-3 隨著砷化鎵集成電路的發(fā)明，毫米波用于無線通信的大門也隨之被打開了。 F

46、CC對這種需求做出了響應(yīng)，它將1.3GHz分配給一種新的無線本地回路服務(wù)，稱為LMDS(Local Multipoint Distribution Service，本地多點分發(fā)服務(wù))。這次FCC分配了大量的帶寬，足夠任何人使用。歐洲在40GHz以上。2.5.3 無線本地回路-42.5.3 無線本地回路-5LMDS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)每個天線定義了一個扇區(qū)。36MHz的下行數(shù)據(jù)流和1MHz的上行數(shù)據(jù)流 IEEE建立了一個名為802.16的委員會，由它為LMDS擬定一個標(biāo)準(zhǔn)。2002年4月，802.16已經(jīng)發(fā)布了，稱為無線MAN(Metropolitan Area Network，城域網(wǎng)) 。 IEEE 8

47、02.16的應(yīng)用目標(biāo)是：數(shù)字電話、 Internet訪問、連接兩個遠距離的LAN、電視和電臺廣播等。2.5.3 無線本地回路-6 在一條物理干線上盡可能地并發(fā)傳輸多個會話。1) FDM(Frequency Division Multiplexing，頻分多路復(fù)用)：頻譜被分成頻段，每個用戶可以單獨擁有某個頻段。2) TDM(Time Division Multiplexing，時分多路復(fù)用)：用戶輪流(循環(huán)法)獲得整個帶寬，每次僅使用一小段時間。 2.5.4 干線和多路復(fù)用 2.5.4 頻分多路復(fù)用(a) 原來的帶寬、(b) 被升頻之后的帶寬、(b) 復(fù)用之后的信道衰減系數(shù)頻率 信道1 信道2

48、 信道3頻率頻率 信道1 信道3 信道22.5.4 波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用 光纖1光譜 光纖2光譜 光纖3光譜 光纖4光譜共享光纖上的光譜 光纖1 光纖2 光纖3 光纖4 組合器 長距離的共享光纖 分離器 過濾器2.5.4 波分多路復(fù)用-2 1990年：8條信道，每條信道的帶寬為2.5Gbps。 1998年：40條信道，每條信道的帶寬為2.5Gbps。 2001年：96條信道(每條信道的帶寬為10Gbps，總共960Gbps)的產(chǎn)品。這樣的帶寬足夠每秒鐘傳輸30部全長度的電影(MPEG-2格式)。 具有200條信道的系統(tǒng)在實驗室中已經(jīng)可以工作了。 這樣的系統(tǒng)通常稱為DWDM(Dense WD

49、M，密集WDM)。 2.5.4 波分多路復(fù)用-3 通過在不同的波長上并行地運行多條信道，則聚合起來的帶寬就會隨著信道的數(shù)量而線性增加。由于單根光纖的帶寬大約為25000GHz(見圖2.6)，所以，從理論上算，即使在每赫茲1位的情況下(更高的速率也是可能的)，仍有2500條10Gbps信道的發(fā)展空間 . 以前，每100公里就必須分離出所有的信道，并將每條信道轉(zhuǎn)換為電信號，以便單獨放大，然后重新轉(zhuǎn)換為光信號，再將所有的信道組合起來?，F(xiàn)在，全光放大器可以重新產(chǎn)生整個信號，每隔1000公里做一次，不需要再進行多次光-電轉(zhuǎn)換了。 2.5.4 時分多路復(fù)用電話系統(tǒng)中大量的銅線該怎么辦? FDM仍然被用于銅

50、線或者微波信道，但是，它要求模擬電路，并且不適合由計算機來完成。 TDM則可以完全由數(shù)字電路來處理，但是，它只能用于數(shù)字數(shù)據(jù)。由于本地回路產(chǎn)生的是模擬信號，所以，在端局需要執(zhí)行一個從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，而在端局中，所有的本地回路聚集到一起，并組合到少量的輸出干線上。 2.5.4 時分多路復(fù)用-2 模擬信號在端局中被數(shù)字化，這項工作是由一個稱為編解碼器的設(shè)備來完成的，它產(chǎn)生一個8位數(shù)字序列。編解碼器每秒鐘采樣8000次(每次采樣125s)，因為尼奎斯特定理表明，對于4kHz電話信道的帶寬而言，這樣的采樣率足以捕獲所有的信息。這項技術(shù)稱為PCM(Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)

51、制)。PCM構(gòu)成了現(xiàn)代電話系統(tǒng)的核心。2.5.4 時分多路復(fù)用-32.5.4 時分多路復(fù)用-4 T1 線路 (80001931.544 Mbps).第1位是成幀碼每次采樣每個信道7個數(shù)據(jù)位第8位用于信令信道信道信道信道信道193位的幀2.5.4 時分多路復(fù)用-5 用統(tǒng)計技術(shù)來減少每條信道所需要的位數(shù)。這些技術(shù)不僅僅只適用于編碼語音信號，也可以用于其他任何模擬信號的數(shù)字化處理。所有的壓縮方法依據(jù)的原理是，信號的變化相對于采樣頻率而言比較慢，所以7位或者8位數(shù)字級別中的大部分信息是多余的。 2.5.4 時分多路復(fù)用-6 差分脈沖編碼調(diào)制(differential pulse code modula

52、tion)，它的輸出并不是數(shù)字化的振幅本身，而是當(dāng)前值與前一個值之差。因為在128的尺度上，16或者更大的跳躍可能性不大，所以5位應(yīng)該足夠了，而不需要7位。如果信號偶爾有很大的跳躍，則編碼邏輯部分可能需要幾個采樣周期才能“趕上”它。對于語音信號，這種因為偶爾的跳躍而引入的錯誤可以忽略。 2.5.4 時分多路復(fù)用-7增量調(diào)制采樣間隔發(fā)送的位流相鄰樣本總是差1信號變化太快，編碼跟不上數(shù)字化級值2.5.4 時分多路復(fù)用-8更高階線路上多路復(fù)用的T1流.4個T1輸入流1個T2輸出流7個T2輸入流6個T3輸入流復(fù)用是按位完成的 復(fù)用是按字節(jié)完成的 本地電話公司必須連接到多家長途電話承運商，而這些承運商各

53、有不同的光纖TDM系統(tǒng)。 Bellcore開始制定標(biāo)準(zhǔn)，稱為SONET(Synchronous Optical NETwork，同步光網(wǎng)絡(luò))。 CCITT建議稱為SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字系列) 。2.5.4 SONET/SDH1.SONET必須使不同的承運商可以協(xié)同工作。2.統(tǒng)一美國、歐洲和日本的數(shù)字系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都基于64kbps的PCM信道，但是，這些信道被組合起來的方式卻各不相同，而且互不兼容。3.復(fù)用多條數(shù)字信道。 4.必須支持操作(operation)、管理(administration)和維護(maintenance)，即OAM。

54、2.5.4 SONET/SDH-2基本的SONET幀是每125s間隔中送出810字節(jié)的數(shù)據(jù)塊。由于SONET是同步的，所以，不管是否有實際要發(fā)送的數(shù)據(jù)，幀都存在。每秒8000幀的速率正好符合所有數(shù)字電話系統(tǒng)中使用的PCM信道的采樣率。SONET系統(tǒng)每秒鐘傳輸8000次，每次88106480位，因而總的數(shù)據(jù)傳輸率為51.84Mbps。這是基本的SONET信道，稱為STS-1(Synchronous transport Signal-1，同步傳輸信號)。所有的SONET干線都是STS-1的倍數(shù)。 2.5.4 SONET/SDH-32.5.4 SONET/SDH-4兩個背靠背的 SONET 幀3列用

55、于系統(tǒng)管理信息開銷9行87列Sonet幀Sonet幀段開銷線路開銷路徑開銷SPE：Synchronous Payload Envelope，同步凈荷包封線路開銷的第一行指向SPE的第一個字節(jié)2個字節(jié)有固定模式SONET標(biāo)準(zhǔn)定義了四個光接口層。1.光子層(Photonic Layer)處理跨越光纜的比特傳送，并負責(zé)進行同步傳送信號STS的電信號和光載波OC的光信號之間的轉(zhuǎn)換。在此層由電光轉(zhuǎn)換器進行通信。2.段層(Section Layer) 在光纜上傳送STS-N幀，有成幀和差錯檢測功能。3.線路層(Line Layer) 負責(zé)路徑層的同步和復(fù)用，以及交換的自動保護。4.路徑層(Path Lay

56、er)處理路徑端接設(shè)備PTE(Path terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸，這里PTE是具有SONET能力的交換機。路徑層還具有與非SONET網(wǎng)絡(luò)的接口。2.5.4 SONET/SDH-5 2.5.4 SONET/SDH-62.5.4 SONET/SDH-7SONET 和 SDH復(fù)用率數(shù)據(jù)傳輸率電的光的光的總的用戶電話系統(tǒng)分為兩大基本部分：局外部分(本地回路和干線，因為從物理位置來看，它們位于交換局的外部)和局內(nèi)部分(交換機，它們在交換局的內(nèi)部)。電話系統(tǒng)中用到了兩種不同的交換技術(shù)：電路交換和分組交換。 當(dāng)你或者你的計算機呼叫一個電話的時候，電話系統(tǒng)的交換設(shè)備就會尋找一條

57、從你的電話通向接收方電話的物理路徑。這項技術(shù)稱為電路交換(circuit switching)。2.5.5 交換2.5.5 電路交換(a) 電路交換、(b) 分組交換交換局呼叫時建立物理銅線連接分組排隊以便順序傳輸電路交換的一個重要特點是，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要建立一條端到端的路徑。從撥完號碼到開始響鈴，這段時間很有可能達到10秒鐘，長途電話或者國際電話所需要的時間更長。在這段時間間隔中，電話系統(tǒng)正在尋找路徑，如圖239(a)所示。請注意，在開始傳輸數(shù)據(jù)之前，呼叫請求信號必須一路傳向目標(biāo)，并且沿途要被確認。對于許多計算機應(yīng)用來說(比如銷售點的信用卡驗證)，長時間的建立過程是不合適的。 2.5.5

58、電路交換-2在電話呼叫雙方之間保留一條路徑帶來的好處是，一旦連接建立完成，則惟一的數(shù)據(jù)傳輸延遲是電磁信號的傳輸時間，每1000公里大約5ms。建立路徑的另一個好處是，沒有擁塞的危險，也就是說，一旦電話呼叫已經(jīng)接通，你永遠不會再聽到忙信號。當(dāng)然，在建立連接之前，可能由于交換能力不足，或者干線傳輸能力不足，你會聽到忙信號。 2.5.5 電路交換-3報文交換(message switching)，如圖239(b)所示。當(dāng)使用這種交換形式的時候，在發(fā)送方和接收方之間事先并沒有建立物理路徑。相反，當(dāng)發(fā)送方有一塊數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候，它被存儲在第一個交換局(即路由器)中，以后再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一次一級地中轉(zhuǎn)。每塊數(shù)

59、據(jù)都會被完整地接收下來，并檢查錯誤，然后再重新轉(zhuǎn)發(fā)。使用這項技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)稱為存儲一轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)(store-and-forward network) 。 2.5.5 報文交換2.5.5 報文交換-2圖2.39 (a) 電話交換 (b)報文交換 (c) 分組交換呼叫請求信號呼叫接受信號傳播延遲排隊延遲2.5.5 分組交換分組交換網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)塊的大小有一個很嚴格的上限，這使得這些分組可以被緩存在路由器的主內(nèi)存中，而不是磁盤上。由于分組交換網(wǎng)絡(luò)可以保證用戶不會霸占通信線路很長時間(毫秒級)，所以它非常適合用來處理交互式通信流量。 如果一個報文包含了多個分組，那么，在后一個分組完全到達之前，前一個分組就可以

60、被轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣不僅降低了延遲，而且也提高了系統(tǒng)的吞吐量。計算機網(wǎng)絡(luò)通常是分組交換的，偶爾也會是電路交換的，但絕對不會是報文交換的。 2.5.5 分組交換-22.6 移動電話系統(tǒng) 無線電話有兩種基本的流行方式：無繩電話無繩電話和移動電移動電話話(有時候也稱為蜂窩電話蜂窩電話(cell phone)。 移動電話(mobile phone)已經(jīng)經(jīng)過了三代發(fā)展，每一代有不同的技術(shù)： 1) 模擬語音模擬語音。2) 數(shù)字語音數(shù)字語音。3) 數(shù)字語音和數(shù)據(jù)數(shù)字語音和數(shù)據(jù)(Internet、e-mail等)。 2.6 移動電話系統(tǒng)-2政策和細微的市場決策如何產(chǎn)生巨大影響？第一個移動系統(tǒng)由AT&T設(shè)計，全美只有一個系統(tǒng)。歐洲每個國家設(shè)計自己的系