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计算机网络-物理层

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  • Computer-Network

计算机网络理论，物理层。

基本概念

屏蔽传输媒体和通信手段的差异。任务是在传输介质上传输比特流。

物理层涉及的四个特性：

  • 机械特性：接口形状、引脚数目、引脚排列等；
  • 电气特性：电压范围等；
  • 功能特性：某电平电压的意义；
  • 过程特性：不同功能各种事件的顺序。

数据通信

数据通信

信号是数据的电磁或电器表现：

  • 模拟信号：连续信号；
  • 数字信号：离散信号。

码元：代表不同离散值的基本波形：

  • 码元速率：单位书简通过信道的码元数，单位为波特（Baud）；
  • 对同一个信道，仅当二进制编码时，码元速率等于比特率。

交互方式：

  • 单工通信：只能单向传输；
  • 双向交替通信（半双工通信）：双方交替传输；
  • 双向同时通信（全双工通信）：双方同时传输。

信号

基带（baseband）信号：

  • 基本频带范围信号，来自信源的信号；
  • 往往需要进行调制。

带通（bandpass）信号：

  • 信号经过载波调制后，信号的频率搬移至较高频段。

二元制调制方法：

  • 调幅（AM）：调制信号的振幅；
  • 调频（FM）：调制信号的频率；
  • 调相（PM）：调制信号的初始相位。

调制

为了获得更高的传输速率，常采用多元制的混合调制方法，如振幅和相位相结合的正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。

信道的极限容量

信号失真问题：

  • 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰；
  • 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重； – 信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

奈奎斯特（Nyquist）定理：

\[理想低通信道最大数据传输率 = 2H \log_2 V (bps)\]

其中，H为信道的带宽，V为信号电平的级数（信号的状态数）。

信噪比：信号的平均功率与噪声的平均功率之比。

\[信噪比 = 10 \log_{10}(\frac{S}{N}) (dB)\]

香农（Shannon）公式：

\[C = W \log_{2}(1 + S/N) (bps)\]

其中，C为信道的极限传输速率，W为信道的带宽（Hz），S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率。

传输介质

导引型传输介质

  • 双绞线：两根绝缘铜线绞合，减少互相干扰：
    • 屏蔽双绞线（STP）
    • 无屏蔽双绞线（UTP）
  • 同轴电缆：内导体铜质芯线外包裹网状编织的屏蔽层：
  • 光纤：光导纤维，由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层通信圆柱体，传输光信号：
    • 多模光纤：光信号沿不同角度传播，适用于短距离；
    • 单模光纤：光信号沿同一角度传播，适用于长距离。

非导引型传输介质

无线通信：

  • 短波通信
  • 微波通信
  • 卫星通信

预留了无需许可即可免费使用的频段，即ISM频段

  • ISM—Industrial, Scientific, Medical
  • 限制：发射功率 < 1W
  • 使用ISM频段的设备：WLAN、Bluetooth

信道复用技术

复用（multiplexing）就是在一个信道上传输多路信号。

频分多路复用（FDM）：

  • 不同用户占用不同的频带资源
  • 频分多址接入（FDMA）：不同用户占用不同的频段

时分多路复用（TDM）：

  • 不同用户占用不同的时间片
  • 时分多址接入（TDMA）：不同用户占用不同的时间片

波分复用（WDM）：

  • 光的频分复用

码分复用（CDM）：

  • 码分多址接入（CDMA）
  • 每一个用户可以在同样的事件使用同样的频带进行通信

每一个比特时间再划分为m个时间间隔，称为码片（chip），m通常为64或128。

使用CDMA的每一个站倍指派一个唯一的码片序列。一个站如果要发送一个1，就发送自己的码片序列；如果要发送一个0，就发送自己码片序列的反码。

每一个站的码片序列都是相互正交的。接收站可以通过内积运算来区分不同的站。

例如：

  • S站的8bit码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
  • T站的8bit码片序列：(–1 –1 +1 -1 +1 +1 +1 –1)
  • 满足条件：S * T = 0 且 S * S = 1
  • 假设S站发送码元序列110，经扩频后发射信号Sx，
  • 接收端使用S站的码片可以提取出来自S站的信息：计算S * Sx

CDMA

数字传输系统

脉码调制系统（PCM）：

  • 用于电话交换系统
  • E1：2.048Mbps，32个8bit信道
  • T1：1.544Mbps，24个8bit信道+1bit同步信号

同步光纤网络（SONET）和同步数字体系（SDH）：

  • 用于光纤通信
  • 一般认为SONET和SDH同义

带宽接入技术

xDSL技术

  • ADSL(Asymmetric DSL)
  • HDSL(High speed DSL)
  • VDSL(Very high speed DSL)
  • SDSL(Single-line DSL)

HFC技术

  • Hybrid Fiber Coax光纤同轴混合网络
  • 有线电视网络改造为宽带网络

FTTx技术

  • FTTC(Fiber to the Curb)
  • FTTB(Fiber to the Building)
  • FTTH(Fiber to the Home)

无源光网络（PON, Passive Optical Network）：

  • EPON(Ethernet PON)
  • GPON(Gigabit PON)