计算机网络第3章 物理层new

1、1第三章 物理层2主要内容主要内容o 掌握物理层的基本概念掌握物理层的基本概念o 了解物理层的一些协议了解物理层的一些协议o 熟悉传输介质的特性熟悉传输介质的特性o 掌握有线掌握有线/无线传输介质无线传输介质3物理层的基本概念4物理层的作用物理层的作用o 现有的计算机网络中的物理设备和传输介现有的计算机网络中的物理设备和传输介质的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同质的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异、使其上面的数据链路层感觉不到这这些差异、使其上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只

2、需要考虑些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质是什么以及怎样传输数据。具体的传输介质是什么以及怎样传输数据。o 物理层起着数据链路层到物理传输介质之物理层起着数据链路层到物理传输介质之间的桥梁作用。间的桥梁作用。53.1.1 物理层的任务物理层的任务o OSI OSI的物理层定义的物理层定义：在物理实体之间合理地通：在物理实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程保持和去除提供机械的、电气的、功能

3、性和规程性的手段。性的手段。o CCITTCCITT也做了类似的定义也做了类似的定义：利用物理的、电气：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在的、功能的和规程的特性在DTEDTE和和DCEDCE之间实现对之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。物理信道的建立、保持和拆除功能。 6DTEDTE和和DCEDCEo 数据终端设备数据终端设备DTEDTEo （Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment）o 数据电路端接设备数据电路端接设备DCEDCEo （Data Circuit-Terminating EquipmentData Circuit-

4、Terminating Equipment）7o 数据终端设备数据终端设备DTEDTE是指计算机网络中用于处是指计算机网络中用于处理用户数据的设备，是计算机网络的信源和信宿，理用户数据的设备，是计算机网络的信源和信宿，通常通常DTEDTE就是计算机或者终端。就是计算机或者终端。o 数据电路端接设备数据电路端接设备DCEDCE是介于是介于DTEDTE和网络传输和网络传输介质之间的设备，用于将介质之间的设备，用于将DTEDTE发出的数字信号变换发出的数字信号变换成适合在传输介质上传输的信号形式，并将它送成适合在传输介质上传输的信号形式，并将它送至传输介质；反之亦然。至传输介质；反之亦然。o 例如：

5、调制解调器、网卡就是例如：调制解调器、网卡就是DCEDCE。DTEDTE和和DCEDCE83.1.1 物理层的任务物理层的任务o 物理层的任务就是为数据链路层提供一个物物理层的任务就是为数据链路层提供一个物理连接，以便透明地进行比特流的传输。理连接，以便透明地进行比特流的传输。o 物理层的需要解决的典型问题有：物理层的需要解决的典型问题有：o （1 1）用多少伏特电压表示）用多少伏特电压表示“1”1”，多少伏特，多少伏特电压表示电压表示“0”0”；o （2 2）发送一个比特持续多少微秒；）发送一个比特持续多少微秒；o （3 3）各种网络硬件接口有多少针脚以及各）各种网络硬件接口有多少针脚以及各

6、个阵脚的用途。个阵脚的用途。o 等等等等. .93.1.1物理层的任务物理层的任务o 物理层协议物理层协议包含了定义包含了定义DTE/DCEDTE/DCE硬件接口的一硬件接口的一系列的标准，解决的问题主要是系列的标准，解决的问题主要是DTE/DCEDTE/DCE硬件接口硬件接口的的机械的机械的、电气的电气的、功能的功能的和和规程的规程的特性特性。 o 机械特性：机械特性：规定了接口所用接线器的形状和规定了接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 这很像平时常见的各种规格的电源接头的尺寸都这很像平时常见的各种规格的电源接头的尺寸都

7、有严格的规定。有严格的规定。o 例如：在例如：在RS-232C中，规定采用的连接器中，规定采用的连接器接口有接口有25根针，接口形状为根针，接口形状为D形接口。形接口。103.1.1 物理层的任务物理层的任务o 物理层协议包含了定义物理层协议包含了定义DTE/DCEDTE/DCE硬件接口的一硬件接口的一系列的标准，解决的问题主要是系列的标准，解决的问题主要是DTE/DCEDTE/DCE硬件接口硬件接口的的机械的机械的、电气的电气的、功能的功能的和和规程的规程的特性特性。 o 电气特性：电气特性：规定了线路上的信号的电压高低、规定了线路上的信号的电压高低、传输速率、最大传输距离等。传输速率、最大

8、传输距离等。o 例如：例如：RS-232CRS-232C规定，以规定，以+12V+12V或或+8V+8V表示表示“0”0”，-12V-12V或或-8V-8V表示表示“1”1”，数据速率，数据速率0-20Kbps0-20Kbps。113.1.1 物理层的任务物理层的任务o 物理层协议包含了定义物理层协议包含了定义DTE/DCEDTE/DCE硬件接口的一硬件接口的一系列的标准，解决的问题主要是系列的标准，解决的问题主要是DTE/DCEDTE/DCE硬件接口硬件接口的的机械的机械的、电气的电气的、功能的功能的和和规程的规程的特性特性。 o 功能特性：功能特性：规定了接口各物理线路的功能，规定了接口各

9、物理线路的功能，即某线路上出现的电压表示何种意义。即某线路上出现的电压表示何种意义。o 例如：例如：RS-232C规定规定D形接口的第二根针形接口的第二根针是用于发送数据的，第三根针是用于接收数据的，是用于发送数据的，第三根针是用于接收数据的，第四根针表示请求发送，第五根针表示允许发送。第四根针表示请求发送，第五根针表示允许发送。123.1.1 物理层的任务物理层的任务o 物理层协议包含了定义物理层协议包含了定义DTE/DCEDTE/DCE硬件接口的一硬件接口的一系列的标准，解决的问题主要是系列的标准，解决的问题主要是DTE/DCEDTE/DCE硬件接口硬件接口的的机械的机械的、电气的电气的、

10、功能的功能的和和规程的规程的特性特性。 o 规程特性：规程特性：规定了接口电路发出信号的时序。规定了接口电路发出信号的时序。o 例如：例如：RS-232C的一段规程为：第四根针，的一段规程为：第四根针，请求发送请求发送第五根针，允许发送第五根针，允许发送数据通过第二根数据通过第二根针发送。针发送。13物理层协议举例（自学、了解）14传输介质传输介质15数据传输介质数据传输介质o 在通信系统中，数据通过发送器编码形成在通信系统中，数据通过发送器编码形成一定形式的能量，可以是一定形式的能量，可以是电电、光光、电磁波电磁波或或声声音音等。能量能够以一定的等。能量能够以一定的介质（金属、玻璃或介质（金

11、属、玻璃或空气）空气）为载体进行传输。在接收端将能量解码为载体进行传输。在接收端将能量解码成数据。成数据。o 数据传输介质是通信系统中传输数据的物数据传输介质是通信系统中传输数据的物理基础。理基础。16数据传输介质数据传输介质o 传输介质可以分为两大类：传输介质可以分为两大类：有线传输介质有线传输介质和和无线传输介质无线传输介质o 有线传输介质：包括有线传输介质：包括双绞线双绞线、同轴电缆同轴电缆和和光纤光纤。o 无线传输介质：包括无线传输介质：包括微波微波、卫星卫星、红外线红外线等。等。173.3 传输介质的特性传输介质的特性o （1）吞吐量和带宽）吞吐量和带宽o （2）成本）成本o （3）

12、尺寸和扩展性）尺寸和扩展性o （4）连接器）连接器o （5）抗噪性）抗噪性183.3 传输介质的特性传输介质的特性o （1）吞吐量和带宽）吞吐量和带宽o 吞吐量吞吐量，也称为，也称为容量容量，是指在给定时间内，是指在给定时间内介质能够传输的数据量，通常使用每秒兆位介质能够传输的数据量，通常使用每秒兆位（Mbps）进行度量。）进行度量。o 带宽带宽是指介质能够传输信号的频率范围，是指介质能够传输信号的频率范围，通常用通常用Hz度量。度量。o 通常带宽越高，吞吐量就越高。通常带宽越高，吞吐量就越高。193.3 传输介质的特性传输介质的特性o （2）成本）成本o 自身成本自身成本o 安装成本安装成本

13、o 复用已有基础结构的成本复用已有基础结构的成本o 维护的成本维护的成本o 更新的成本更新的成本o 。203.3 传输介质的特性传输介质的特性o （3）尺寸和扩展性）尺寸和扩展性o 传输介质的尺寸和扩展性由如下三个指标传输介质的尺寸和扩展性由如下三个指标所决定：所决定：o 每段介质的最大结点数每段介质的最大结点数o 最大段长度最大段长度o 最大网络长度最大网络长度213.3 传输介质的特性传输介质的特性o （4）连接器）连接器o 连接器是连接传输介质与网络设备的硬件，连接器是连接传输介质与网络设备的硬件，不同的传输介质需要使用不同的连接器与网络不同的传输介质需要使用不同的连接器与网络设备相连。

14、设备相连。o 连接器的类型直接影响到网络安装和维护连接器的类型直接影响到网络安装和维护的成本、网络扩展的容易性以及维护网络所需的成本、网络扩展的容易性以及维护网络所需的专业技术和知识。的专业技术和知识。223.3 传输介质的特性传输介质的特性o （5）抗噪性）抗噪性o 抗噪性抗噪性是指传输介质抵抗噪声（电磁干扰、是指传输介质抵抗噪声（电磁干扰、射频干扰等）的能力。射频干扰等）的能力。o 传输介质可以通过屏蔽（包金属管道）或传输介质可以通过屏蔽（包金属管道）或使用抗噪声算法来获得抗噪性。使用抗噪声算法来获得抗噪性。233.4 有线传输介质有线传输介质o 双绞线双绞线o 同轴电缆同轴电缆o 光纤光

15、纤24双绞线（双绞线（Twisted Pair)o 双绞线双绞线是由多对（是由多对（1、2、4）绞合成有规则的）绞合成有规则的螺旋形的绝缘铜线组成。螺旋形的绝缘铜线组成。每根铜线的直径大约每根铜线的直径大约1mm。o 各线对螺旋排列的目各线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。电磁干扰最小。o 双绞线可以用于传输双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。模拟传输或数字传输。25双绞线的分类双绞线的分类o 屏蔽双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedSTP(Shielded Twisted Pair) Twisted Pair) o 外皮为金属，具有屏蔽能力。抗干扰

16、性好，外皮为金属，具有屏蔽能力。抗干扰性好，性能高，最大距离可以达到十几公里。但成本性能高，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，所以一直没有广泛使用。也较高，所以一直没有广泛使用。o 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP(UnshieldedUTP(Unshielded Twisted Pair) Twisted Pair) o 外皮为塑料，不具有屏蔽能力。传输距离外皮为塑料，不具有屏蔽能力。传输距离一般为一般为100100米，由于它较好的性能价格比，目前米，由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。被广泛使用。26双绞线的分类双绞线的分类27双绞线的分类双绞线的分类o 非屏蔽双绞线有非屏蔽双绞线

17、有1 1、2 2、3 3、4 4、5 5五类，常用的五类，常用的是是3 3类线（电话线）和类线（电话线）和5 5类线（计算机网线）。类线（计算机网线）。o 1 1类：主要用于传输语音，不用于数据传输。类：主要用于传输语音，不用于数据传输。o 2 2类：传输频率为类：传输频率为1MHz1MHz，用于语音传输和最高，用于语音传输和最高传输速率传输速率4Mbit/s4Mbit/s的数据传输。的数据传输。o 3 3类：传输频率为类：传输频率为16MHz16MHz，用于语音传输及最，用于语音传输及最高传输速率为高传输速率为10Mbit/s10Mbit/s的数据传输。的数据传输。28双绞线的分类双绞线的分

18、类o 4 4类：传输频率为类：传输频率为20MHz20MHz，用于语音传输和，用于语音传输和最高传输速率最高传输速率16Mbit/s16Mbit/s的数据传输。的数据传输。o 5 5类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz100MHz，用于，用于语音传输和最高传输速率为语音传输和最高传输速率为100Mbit/s100Mbit/s的数据传的数据传输。输。o 为了适应网络速度的不断提高，又出现了为了适应网络速度的不断提高，又出现了超超5 5类和类和6 6类双绞线。类双绞线。29利用双绞线组网利用双绞

19、线组网RJ45接头接头网卡网卡30利用双绞线组网利用双绞线组网o RJ45接头是双绞线接头中的一种类型（例如：接头是双绞线接头中的一种类型（例如：RJ11也是接头的一种类型，用于电话）也是接头的一种类型，用于电话）o 使用使用RJ45接头，双绞线的排序方法有两种接头，双绞线的排序方法有两种:n T568B：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕n T568A：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕o 因此使用因此使用RJ45接头的双绞线有两种：接头的双绞线有两种：n 直通线直通线n 交叉线交叉线 31利用双绞线组网

20、利用双绞线组网32利用双绞线组网利用双绞线组网o 直连线互连直连线互连：网线的两端均按：网线的两端均按 T568B 接接 n 电脑电脑ADSL 猫猫 n ADSL猫猫ADSL 路由器的路由器的 WAN口口 n 电脑电脑ADSL 路由器的路由器的 LAN口口 n 电脑电脑集线器或交换机集线器或交换机 o 交叉互连交叉互连：一端：一端 T568B ，另一端，另一端 T568An 电脑电脑电脑，即对等网连接电脑，即对等网连接 n 集线器集线器集线器集线器 n 交换机交换机交换机交换机 33利用双绞线组网利用双绞线组网34利用双绞线组网利用双绞线组网35双绞线双绞线的优缺点的优缺点o 价格便宜价格便宜

21、o 便于布线、安装便于布线、安装o 耐用性差耐用性差o 易受电磁干扰易受电磁干扰36同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable)o 同轴电缆的结构如图所示，它由内导体（传输信同轴电缆的结构如图所示，它由内导体（传输信号）、外导体（屏蔽层）、绝缘层及外部保护层组成。号）、外导体（屏蔽层）、绝缘层及外部保护层组成。内导体可以是单股实心线，也可以是多股绞合铜芯线；内导体可以是单股实心线，也可以是多股绞合铜芯线；外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的网状结构。网状结构。内、外导体同轴心。内、外导体同轴心。37同轴电缆的分类同轴电缆的分类o 同

22、轴电缆分为同轴电缆分为基带同轴电缆基带同轴电缆和和宽带同轴电缆宽带同轴电缆o 基带同轴电缆用于计算机网络，仅用于传输基带同轴电缆用于计算机网络，仅用于传输数字信号，数据传输速率可达数字信号，数据传输速率可达10Mbps，传输，传输距离只有几公里；距离只有几公里；o 宽带同轴电缆主要用于有线电视，可用于模宽带同轴电缆主要用于有线电视，可用于模拟信号和数字信号的传输，带宽可达拟信号和数字信号的传输，带宽可达300MHz450MHz，传输距离可达数十公里。传输距离可达数十公里。38同轴电缆的分类同轴电缆的分类o 基带同轴电缆又分为基带同轴电缆又分为粗缆粗缆（直径为（直径为1.471.47厘米）和厘米

23、）和细缆细缆（直径为（直径为0.700.70厘米）。厘米）。o 粗缆多用于局域网主干，支持粗缆多用于局域网主干，支持25002500米的传输距离，但其价格较高；细缆多米的传输距离，但其价格较高；细缆多用于与用户桌面连接，传输距离一般不用于与用户桌面连接，传输距离一般不超过超过180180米。米。o 基带同轴电缆的最大优点是抗干扰基带同轴电缆的最大优点是抗干扰性强，缺点是物理可靠性不好，极易出性强，缺点是物理可靠性不好，极易出现故障，而且一点发生故障，整段局域现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信，所以基本已被非屏蔽双网都无法通信，所以基本已被非屏蔽双绞线和光纤所取代。绞线和光纤所取代。

24、39利用同轴电缆组网利用同轴电缆组网40利用同轴电缆组网利用同轴电缆组网41利用同轴电缆组网利用同轴电缆组网42利用同轴电缆组网利用同轴电缆组网43利用同轴电缆组网利用同轴电缆组网44光导纤维光导纤维o 光纤是由两层折射率不同的材料所光纤是由两层折射率不同的材料所构成，是一种能通过光线的细小而柔构成，是一种能通过光线的细小而柔韧的传输介质。其内层是具有较高折韧的传输介质。其内层是具有较高折射率的玻璃或塑料纤维线，外层是折射率的玻璃或塑料纤维线，外层是折射率较低的材料。射率较低的材料。o 光纤具有把光封闭在其中并沿轴向光纤具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。进行传播的导波结构。光线光在

25、光纤中的传播光在光纤中的传播45光导纤维光导纤维o 光纤的结构：光纤的结构：o 轴心轴心：玻璃材：玻璃材质，用来传送质，用来传送光波光波讯号讯号。o 被覆被覆层层：折射率：折射率极极低的物低的物质质。o 外皮外皮：不透光的材：不透光的材质质, , 用以隔用以隔绝绝外在的干外在的干扰源扰源, , 保保护护脆弱脆弱的的轴心轴心。46光纤通信的原理光纤通信的原理o 见图，入射角见图，入射角，逐渐增大，逐渐增大，11，22是折射角，光纤通信的原理，是基于光线由光密介是折射角，光纤通信的原理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发

26、生全反射的特性射角达到射的特性射角达到33时，发生全反射，即光波能量几乎时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。入射光1122折射光折射光反射光3光密介质光疏介质47光光/电转换电转换o 使用光纤传输电信号时，需要进行使用光纤传输电信号时，需要进行光光/电转换电转换o 在发送端需要使用光在发送端需要使用光/电转换器将电信号转换成光信号电转换器将电信号转换成光信号o 在接收端需要使用光在接收端需要使用光/电转换器将光信号转换成电信号电转换器将光信号转换成电信号光纤通信系统光纤通信系统 48光光/电转换电转换49光缆

27、的分类光缆的分类o 在发送端，光源可以采用在发送端，光源可以采用发光二极管发光二极管LED（Light Emitting Diode）和）和注入型激光二极管注入型激光二极管ILD（Injection Laser Diode）n 发光二极管发光二极管LED：价格便宜，电流通过时产生可见：价格便宜，电流通过时产生可见光，定向性差，是通过全反射在光纤中向前传播的，光，定向性差，是通过全反射在光纤中向前传播的，这种光纤称为这种光纤称为多模光纤多模光纤。n 注入型激光二极管注入型激光二极管ILD：电流通过时产生激光，定：电流通过时产生激光，定向性好，可沿着光纤的轴向直接传播，这种光纤称向性好，可沿着光纤

28、的轴向直接传播，这种光纤称为为单模光纤单模光纤。50光缆的分类光缆的分类n多模光多模光纤纤：频带较窄、传输损耗大、传输距离较短、易于连：频带较窄、传输损耗大、传输距离较短、易于连接、价格便宜，用于中、短距离的数据传输网络和接、价格便宜，用于中、短距离的数据传输网络和LAN。n单模光单模光纤纤：频带宽、传输损耗小、传输距离长、连接困难、：频带宽、传输损耗小、传输距离长、连接困难、价格高，用于长距离的数据传输，例如邮电通信网的主干线。价格高，用于长距离的数据传输，例如邮电通信网的主干线。单模光纤单模光纤 输入输入光信号光信号 输出输出光信号光信号多模光纤多模光纤 输入输入光信号光信号 输出输出光信

29、号光信号51光纤的调制方式光纤的调制方式o 由于光纤使用光束来传输信号，因此需要对光载波进行由于光纤使用光束来传输信号，因此需要对光载波进行调制。调制。o 光载波的调制使用亮度调制（光载波的调制使用亮度调制（Intensity Modulation）与）与移幅键控法移幅键控法ASK（Amplitude Shift Keying）n 亮度调制典型的做法就是在给定的频率下，以光的出亮度调制典型的做法就是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个数字现和消失来表示两个数字“0”和和“1”n ASK这种调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的这种调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度幅度52光纤通信

30、特点光纤通信特点o （1）衰减少，无中继传输距离远（）衰减少，无中继传输距离远（10km） o （2）带宽宽，容量大，传输速率高，传输能力强）带宽宽，容量大，传输速率高，传输能力强,十分十分适合多媒体通信适合多媒体通信o （3）不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性）不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性好好 o （4）直径小、重量轻（单模光纤芯直径一般为）直径小、重量轻（单模光纤芯直径一般为4um10um，外径也只有，外径也只有125um，用，用448根光纤组成的光缆根光纤组成的光缆直径还不到直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径，比标准同轴电缆的直径47mm还要还要小）重量轻小）

31、重量轻o （5）造价高）造价高o （6）光纤断裂的检测和修复很困难）光纤断裂的检测和修复很困难53三种有线介质的性能对比三种有线介质的性能对比o 参见课本参见课本P52543.5 无线传输介质无线传输介质o 无线电波无线电波o 微波微波(卫星卫星)o 红外线红外线o 激光激光55无线电波无线电波o 使用无线电波作为传输介质的典型通信系统是蜂窝无使用无线电波作为传输介质的典型通信系统是蜂窝无线移动通信系统。线移动通信系统。56无线移动通信的发展历史无线移动通信的发展历史o 现代意义上的移动通信开始于现代意义上的移动通信开始于20 世纪世纪20 年代初期，年代初期，1928 年，美国年，美国Pur

32、due 大学学生发明了工作于大学学生发明了工作于2MHz 的无线电接的无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统。一种可以有效工作的移动通信系统。o 20 世纪世纪30 年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用。在美国新泽西的警察局投入使用。o 20 世纪世纪30 年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，并在并在20 世纪世纪40 年代，逐渐占据主流地位。年代，逐渐占据主流地位。 57无线

33、移动通信的发展历史无线移动通信的发展历史o 在第二次世界大战期间，军事上的需求促使技术快速进步，在第二次世界大战期间，军事上的需求促使技术快速进步，同时导致移动通信的巨大发展。到同时导致移动通信的巨大发展。到20 世纪世纪50 年代，美国年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通，并得到术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通，并得到了广泛的使用。遗憾的是这种公用移动电话系统仍然采用了广泛的使用。遗憾的是这种公用移动电话系统仍然采用人工接入方式，系统容量小。人工接入方式，系统容量小。

34、o 从从20 世纪世纪60 年代中期至年代中期至70 年代中期，美国推出了改进型年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它采用大区制、中小容量，实现了移动电移动电话系统，它采用大区制、中小容量，实现了移动电话系统自动接入公用电话网。话系统自动接入公用电话网。58无线移动通信的发展历史无线移动通信的发展历史o 20 世纪世纪70 年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。增之间的矛盾日益尖锐。o 为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实

35、验室于为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室于1947年提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小年提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网的理论区制、蜂窝组网的理论蜂窝无线移动通信蜂窝无线移动通信的概念，它的概念，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。 o 1958年向美国联邦通信委员会提出了建议年向美国联邦通信委员会提出了建议1977年完成了年完成了可行性技术论证可行性技术论证.o 1978年完成先进移动电话系统年完成先进移动电话系统AMPS，并于，并于1983年正式年正式投入运营，该系统是世界上第一个投入运营的蜂窝无

36、线投入运营，该系统是世界上第一个投入运营的蜂窝无线移动通信系统移动通信系统.59无线移动通信的发展历史无线移动通信的发展历史o 到目前为止蜂窝无线移动通信的发展已经历了三代到目前为止蜂窝无线移动通信的发展已经历了三代o 第一代蜂窝移动通信技术（第一代蜂窝移动通信技术（1G）n 采用模拟蜂窝移动通信技术，用户的语音信息以模拟信采用模拟蜂窝移动通信技术，用户的语音信息以模拟信号的方式传输号的方式传输n 主要有美国的主要有美国的AMPS、TACS（Total Access Communication System，完全通路通信系统）和北欧的，完全通路通信系统）和北欧的NMT（Nordic Mobil

37、e Telephone，北欧移动电话系统），北欧移动电话系统）等制式等制式60无线移动通信的发展历史无线移动通信的发展历史o 第二代蜂窝移动通信技术（第二代蜂窝移动通信技术（2G）n 采用数字蜂窝移动通信技术，用户的语音信息的传输及采用数字蜂窝移动通信技术，用户的语音信息的传输及处理以数字信号的形式处理处理以数字信号的形式处理n 主要有欧洲的主要有欧洲的GSM（Global System For Mobile Communication，全球移动通信系统）和美国的，全球移动通信系统）和美国的CDMA（Code-Division Multiple Access，码分多址）两种技术，码分多址）两种

38、技术，这也是目前世界上主要使用的两种移动通信技术这也是目前世界上主要使用的两种移动通信技术61无线移动通信的发展历史无线移动通信的发展历史o 第三代蜂窝移动通信技术（第三代蜂窝移动通信技术（3G）n 采用数字蜂窝移动通信技术，提供话音、数据、视频图采用数字蜂窝移动通信技术，提供话音、数据、视频图像等业务像等业务n 主要有主要有CDMA2000、WCDMA和和TD-SCDMA三种国际三种国际标准。标准。CDMA2000是美国主导的是美国主导的3G标准，标准，WCDMA是是欧洲主导的，而欧洲主导的，而TD-SCDMA是我国自主提出的是我国自主提出的3G国际国际标准标准62无线移动通信中的大区制和小

39、区制无线移动通信中的大区制和小区制o 大区制移动通信系统大区制移动通信系统n 早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区，即建早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区，即建立一个无线电台基站，架设很高的天线塔（高于立一个无线电台基站，架设很高的天线塔（高于30米），使用很大的发射功率，覆盖范围可以达到米），使用很大的发射功率，覆盖范围可以达到30km50kmn 优点是结构简单、无须交换，但缺点是频道数量少，优点是结构简单、无须交换，但缺点是频道数量少，覆盖范围有限覆盖范围有限63无线移动通信中的大区制和小区制无线移动通信中的大区制和小区制o 小区制移动通信系统小区制移动通信系统n 将大区制覆盖的区域

40、划分成多个小区，每个小区将大区制覆盖的区域划分成多个小区，每个小区（Cell）中设立一个基站，通过基站在用户的移动）中设立一个基站，通过基站在用户的移动台之间建立通信台之间建立通信n 小区覆盖的范围较小，一般为小区覆盖的范围较小，一般为1km20km，因此可，因此可以使用较小的发射功率实现通信以使用较小的发射功率实现通信n 每个基站提供每个基站提供1到几个频道，可容纳的移动用户数几到几个频道，可容纳的移动用户数几十到几百个十到几百个n 若干小区构成的覆盖区称为区群，由于区群的结构若干小区构成的覆盖区称为区群，由于区群的结构酷似蜂窝，因此小区制移动通信系统也被称为酷似蜂窝，因此小区制移动通信系统

41、也被称为蜂窝蜂窝移动通信系统移动通信系统64蜂窝移动通信系统的结构蜂窝移动通信系统的结构o 蜂窝移动通信系统的结构如左图蜂窝移动通信系统的结构如左图所示：所示：n区域划分成多个小区区域划分成多个小区n每个小区设立一个（或多个）基站每个小区设立一个（或多个）基站n基站与若干个移动站建立无线通信链基站与若干个移动站建立无线通信链路路n各小区的基站之间可以通过电缆、光各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心缆或微波链路与移动交换中心MSC连接连接n移动交换中心通过电路与市话交换局移动交换中心通过电路与市话交换局连接，实现与公共交换电话网络连接，实现与公共交换电话网络 PSTN (

42、Public Switched Telephone Network ) 的连接，从而构成一个完的连接，从而构成一个完整的蜂窝移动通信的网络结构整的蜂窝移动通信的网络结构65无线通信网中的无线通信网中的多址接入问题多址接入问题o 在无线通信网中，任一用户发送的信号均能被其它用在无线通信网中，任一用户发送的信号均能被其它用户接收，所以网中用户如何能从接收的信号中识别出户接收，所以网中用户如何能从接收的信号中识别出本地用户地址，就是所谓的本地用户地址，就是所谓的多址接入问题多址接入问题。o 解决多址接入的方法称为解决多址接入的方法称为多址接入技术多址接入技术o 在在蜂窝移动通信系统中，蜂窝移动通信系

43、统中，多址接入的方法主要有多址接入的方法主要有3种：种：n 频分多址接入频分多址接入 n 时分多址接入时分多址接入 n 码分多址接入码分多址接入 66无线通信网中的无线通信网中的多址接入问题多址接入问题o频分多址接入频分多址接入FDMA（Frequency Division Multiple Access）是使用较早也）是使用较早也是使用较多的一种多址接入方式，被广泛应用于卫星通信、移动通信、微是使用较多的一种多址接入方式，被广泛应用于卫星通信、移动通信、微波通信系统中。波通信系统中。FDMA的技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的多个子频带，

44、每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤的多个子频带，每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。 o时分多址接入时分多址接入TDMA（Time Division Multiple Access）是在给定频带的最）是在给定频带的最高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间片（即时隙），各高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间片（即时隙），各用户按照分配的时隙接受和发送信号。用户按照分配的时隙接受和发送信号。o码分多址接入码分多址接入CDMA（Code

45、Division Multiple Access），也称扩频多址接），也称扩频多址接入入SSMA（Spread Spectrum Multiple Access）。）。 CDMA将原信号的频带扩将原信号的频带扩宽，再经调制发送出去；接收端接收到经扩频的宽带信号后，作相关处理，宽，再经调制发送出去；接收端接收到经扩频的宽带信号后，作相关处理，再将其解扩为原始数据信号。再将其解扩为原始数据信号。 oCDMA与与TDMA和和FDMA的区别，就好像在一个国际会议上，的区别，就好像在一个国际会议上，TDMA是任是任何时间只有一个人讲话，所有人轮流发言；何时间只有一个人讲话，所有人轮流发言；FDMA则是把

46、与会的人员分成则是把与会的人员分成几个小组，分别进行讨论；而几个小组，分别进行讨论；而CDMA就像大家在一起，每个人使用的自己就像大家在一起，每个人使用的自己国家的语言进行讨论。国家的语言进行讨论。67微波微波o 微波是计算机网络中最早使用，也是目前使用最多微波是计算机网络中最早使用，也是目前使用最多的一种无线数据传输介质。的一种无线数据传输介质。o 微波是一种频率极高（大于微波是一种频率极高（大于1GHz），波长很短），波长很短(1m-1mm)的电磁波。目前计算机网络所用微波的频的电磁波。目前计算机网络所用微波的频率范围为率范围为120GHZ。它既可传输模拟信号又可传输数。它既可传输模拟信号

47、又可传输数字信号。字信号。o 特点：能够穿透电离层，而不反射到地面，只能够特点：能够穿透电离层，而不反射到地面，只能够沿着地面发射；容易被地面吸收，损耗大，需要设置多沿着地面发射；容易被地面吸收，损耗大，需要设置多个中继站；容易被障碍物阻隔，中继站或者收发器要设个中继站；容易被障碍物阻隔，中继站或者收发器要设置在高处。置在高处。o 微波通信的主要方式：地面微波中继通信微波通信的主要方式：地面微波中继通信68地面微波中继通信地面微波中继通信69卫星通信卫星通信o 1945年，英国人阿塞年，英国人阿塞.C.克拉克提克拉克提出了利用卫星进行通信的设想。出了利用卫星进行通信的设想。n 简单地说简单地说

48、卫星通信卫星通信就是地球上就是地球上（包括地面和低层大气中）的微（包括地面和低层大气中）的微波通信站间利用卫星作为中继而波通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。进行的通信。o 1957年，前苏联成功发射了第一颗年，前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星人造地球卫星o 1962年，美国成功发送了第一颗通年，美国成功发送了第一颗通信卫星，并实验了横跨大西洋的电信卫星，并实验了横跨大西洋的电话和电视传输。话和电视传输。 70卫星通信的优点卫星通信的优点o 卫星通信是微波通信向太空的延伸，是微波中继通信技卫星通信是微波通信向太空的延伸，是微波中继通信技术和空间技术相结合的产物。术和空间技术相结合的产物。o

49、 由于卫星通信具有由于卫星通信具有覆盖面积大覆盖面积大、通信距离远通信距离远、费用与通费用与通信距离无关信距离无关、不受地理条件的限制以及自然灾害的影响不受地理条件的限制以及自然灾害的影响、高通讯容量高通讯容量（目前（目前NASA的的ACTS卫星（卫星（Advanced Communication Technology Satellite）的通讯容量已达到）的通讯容量已达到1Gbps） 、可进行多址通信与移动通信可进行多址通信与移动通信的优点，因此获的优点，因此获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。71卫星通信的分类卫星通信的分类o 卫星

50、通信的两种轨道：卫星通信的两种轨道：n 中轨道、低轨道卫星中轨道、低轨道卫星 n 同步轨道卫星（高度约为同步轨道卫星（高度约为36000km）72同步轨道轨道卫星同步轨道轨道卫星o 同步轨道轨道卫星（高轨道轨道同步轨道轨道卫星（高轨道轨道卫星）一般发射在赤道上方高约卫星）一般发射在赤道上方高约35900km的同步轨道上，并的同步轨道上，并以一个适当的速度沿地球自转方以一个适当的速度沿地球自转方向绕轨道运行，与地球保持相对向绕轨道运行，与地球保持相对的静止。的静止。o 使用三颗同步轨道卫星就可以覆使用三颗同步轨道卫星就可以覆盖整个地球表面（除南北极很小盖整个地球表面（除南北极很小一部分地区外）。

51、一部分地区外）。73同步轨道轨道卫星同步轨道轨道卫星o 要将同步卫星发射到同步轨道上，却是相当困难和要将同步卫星发射到同步轨道上，却是相当困难和复杂的。复杂的。o 因为受火箭运载能力的限制和发射场一般不处于赤因为受火箭运载能力的限制和发射场一般不处于赤道上的影响，多数国家的运载火箭不能将卫星直接道上的影响，多数国家的运载火箭不能将卫星直接送到同步轨道上，必须分为三个阶段才能入轨：送到同步轨道上，必须分为三个阶段才能入轨： n第一步，运载火箭将卫星送到距地面第一步，运载火箭将卫星送到距地面200-300千千米的转移轨道；米的转移轨道； n第二步，以停泊轨道的环绕速度将卫星加速送到转移第二步，以停

52、泊轨道的环绕速度将卫星加速送到转移轨道与同步轨道相切处，即转移轨道的远地点；轨道与同步轨道相切处，即转移轨道的远地点； n第三步，在远地点上点燃发动机，使卫星进入地球同第三步，在远地点上点燃发动机，使卫星进入地球同步轨道，并用卫星上的小发动机调整卫星的姿态，使步轨道，并用卫星上的小发动机调整卫星的姿态，使卫星完全进入同步轨道卫星完全进入同步轨道。 74同步轨道轨道卫星同步轨道轨道卫星o 同步轨道卫星存在如下一些问题：同步轨道卫星存在如下一些问题：n 在自由空间中，信号强度反比于传输距离的平方。同步在自由空间中，信号强度反比于传输距离的平方。同步轨道卫星距地球过远，需要有较大口径的通信天线。轨道

53、卫星距地球过远，需要有较大口径的通信天线。n 信号经过远距离传输会带来较大的时延。在电话通话中，信号经过远距离传输会带来较大的时延。在电话通话中，这种时延会使人感到明显的不适应。在数据通信中，时这种时延会使人感到明显的不适应。在数据通信中，时延限制了反应速度，对于超级计算机来说，半秒种的时延限制了反应速度，对于超级计算机来说，半秒种的时延意味着数亿字节的信息滞留在缓冲器中。延意味着数亿字节的信息滞留在缓冲器中。n 轨道资源紧张。同步轨道只有一条，相邻卫星的间隔又轨道资源紧张。同步轨道只有一条，相邻卫星的间隔又不可以过小。经计算，同步轨道卫星只能提供不可以过小。经计算，同步轨道卫星只能提供180

54、颗同颗同轨道位置。这其中还包括了许多实用价值较差，处于大轨道位置。这其中还包括了许多实用价值较差，处于大洋上空的位置。洋上空的位置。75中、低轨道卫星中、低轨道卫星o 相对于同步轨道卫星，中、低轨道卫星有着如下优点：相对于同步轨道卫星，中、低轨道卫星有着如下优点：n低轨道卫星轨道高度仅是同步轨道卫星的二十分之一至八低轨道卫星轨道高度仅是同步轨道卫星的二十分之一至八十分之一，发射功率是同步轨道卫星的二百分之一至二千十分之一，发射功率是同步轨道卫星的二百分之一至二千分之一，传播时延仅为同步轨道卫星的七十五分之一。分之一，传播时延仅为同步轨道卫星的七十五分之一。o 但中、低轨道卫星通信卫星相对于地球

55、上的观察者不再是但中、低轨道卫星通信卫星相对于地球上的观察者不再是静止的，为了保证在地球上任一点均可以实现静止的，为了保证在地球上任一点均可以实现24小时不间小时不间断的通信，必须配置多条轨道及一大群具有强大处理能力断的通信，必须配置多条轨道及一大群具有强大处理能力的通信卫星，这样一个庞大而又复杂的空间系统要实现稳的通信卫星，这样一个庞大而又复杂的空间系统要实现稳定可靠的运转，涉及到技术上和经济上的一系列问题。定可靠的运转，涉及到技术上和经济上的一系列问题。o 当今，计算机、微电子技术和小型卫星技术的发展，使解当今，计算机、微电子技术和小型卫星技术的发展，使解决建立大型中、低轨道卫星通信系统的

56、难题成为可能，从决建立大型中、低轨道卫星通信系统的难题成为可能，从而开辟了而开辟了“空基空基”通信的新时代。通信的新时代。o 低轨道卫星移动通信系统低轨道卫星移动通信系统被认为是被认为是21世纪个人通信和信息世纪个人通信和信息高速公路最具有前途的通信手段之一。高速公路最具有前途的通信手段之一。76低轨道卫星方案低轨道卫星方案o 目前提出的低轨道卫星方案的大公司有目前提出的低轨道卫星方案的大公司有8家。家。o 其中最有代表性的低轨道卫星移动通信系统主要有其中最有代表性的低轨道卫星移动通信系统主要有n 铱（铱（Iridium）系统）系统n 卫星通信网络（卫星通信网络（Teledesic）系统）系统n 全球星系统（全球星系统（Globalstar）系统）系统n 白羊（白羊（Arics）系统）系统n 低轨卫星（低轨卫星（Leo-Set）系统）系统n 柯斯卡（柯斯卡（Coscon）系统）系统 77卫星通信网络（卫星通信网络（Teledesic）系统）系统o 由微软公司的比尔由微软公司的比尔盖茨和蜂窝电话的先驱盖茨和蜂窝电话的先驱Craig McCaw共同共