第二章物理层

第二章 物理层本章内容物理层的功能和作用通信原理相关内容回顾简单介绍三种传输介质：有导向（铜线和光纤）、无线信道和卫星信道讨论三个通信系统：固定电话系统、移动电话系统和有线电视系统三网的骨干网均使用光纤，但组织方式不同，并在“最后一英里（lastmile）”采用不同的技术。功能与作用物理层将原始的比特流从一台机器传输到另外一台机器。物理层处于网络模型的最底层，它定义了机械、电气和时序的接口。机械特性指明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。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。2.1通信原理部分内容回顾通信系统模型基本术语信道与信号信道对信号传输的影响两个定理数字通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机基本术语信息（information）：消息的内容/内涵。消息/数据（message/data）：信息的载体。模拟消息：连续变化，温度、语音等。数字消息：离散变化，整数，汉字等。信号（signal）：消息的电气/电磁形式。模拟(analogous)信号——代表消息的参数的取值是连续的。数字(digital)信号——代表消息的参数的取值是离散的。信源：产生和发生消息的设备。信宿：接收和处理消息的设备。信道：信源和信宿之间的通信线路。模拟信道：采用模拟信号传输消息的信道。数字信道：采用数字信号传输消息的信道。某个信号具有的频带宽度（集中了信号绝大多数能量），单位Hz。语音信号：300Hz~3400Hz信号带宽信道带宽信道只能允许一定频带范围的信号通过，在其它频率范围内的信号，信道的衰减非常大。传输过程中振幅不会明显减弱的频率范围称为信道带宽，通常是指从0到某一个能保留一半能量的频率处。信道带宽是信道的物理属性，取决于材料、厚度和长度。信道对信号传输的影响信道引入的传输损伤衰减（attenuation）：所有的传输设施在传输过程中都会损失一些能量。传输设施对不同频率分量衰减不同时延（transmissiondelay）：不同频率分量在信道中产生的时延不同噪声（noise）：信道噪声、外部噪声信道的带宽受限对信号的影响信道引入的传输损伤有失真，但是能辨别失真过大，无法辨别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形信道模型信道可以被看做是一个“滤波器”低通带通为分析方便，可认为信道在其带宽内对信号的幅度增益为常数，带宽外幅度增益为0理想信道：无任何噪声例：理想信道带宽对信号传输的影响原始信号的频谱带宽=128Hz带宽=64Hz带宽=16Hz结论：当信号通过一个低通滤波器后，信号的高频分量被滤除，对于输出信号而言，损失了原始信号的高频分量（频域），表现为信号被“展宽”（时域）低通滤波器的带宽越大，通过的高频分量就越多，输出信号被“展宽”的程度就越低，就越接近于原始信号。“展宽”后的信号，会相互影响，影响输出端的判决。信道带宽对信号的影响码间串扰：相邻数字信号（码元）波形在时间上相互重叠，影响接收端对码元的判决（即识别）。给定码元间距，信道的带宽越大，码间串扰的程度越低。即信道带宽存在下限。给定信道带宽，码元速率会受到限制，以避免在输出端“展宽”后的信号间相互干扰。在给定带宽的信道中，码元传输的速率存在上限，即信道的极限容量。奈奎斯特准则1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。理想信道的最大数据传输速率奈奎斯特定理：若某信号通过一个理想的无噪声、带宽为H（Hz）的低通滤波器，信道极限容量为

若信号包含了V个离散级数（即一个码元代表log2V比特）无噪声3kHz信道，其最大码元（符号）传输速率为6000波特。码元传输速率(波特，symbol/s)与数据传输速率(bps)的区别。实际信道比理想信道糟多了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。有噪信道条件下最大数据传输速率1948年，香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。香农定理：带宽为H（Hz）、信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输速率（信道容量）C为：信噪比表示，分贝：10lg(S/N)，dB带宽3kHz，信噪比30dB，则最大信息传输速率不超过30Kbps。N=0或者S=，则C=若想使信道容量增大，则可通过减小噪声N或者增加信号功率S来实现。H时，C1.44S/n0，N=Hn0；保持S/n0一定，信道带宽无限增加并不能使信道容量无限增加，因为噪声功率也趋于无穷大。香农定理的讨论只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低。香农定理指出传输媒体传输媒体：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。有导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体（铜线or光纤）传播。非导向传输媒体：即自由空间，通常称在非导向传输媒体中电磁波的传输为无线传输。2.2有导向的传输介质每种传输介质都有自己的特性带宽迟延造价安装和维护的难易程度常用的有线传输介质双绞线同轴电缆光纤2.2.1磁介质高带宽低成本极高的时延2.2.2双绞线双绞线（twistedpair）：两根绝缘铜线以螺旋状的形式绞在一起，以减少电线辐射。线径大约1mm。几乎所有的电话都是通过双绞线连接到交换局双绞线可以延伸几公里而不需要放大。双绞线可以传输模拟信号和数字信号。其带宽取决于铜线的直径和传输距离：几公里的传输距离内可达几Mbps。铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STPUTP（UnshieldedTwistedPair，无屏蔽双绞线）3类（category3）双绞线，16MHz5类（category5）双绞线，100MHz常用双绞线双绞线类型带宽典型应用316MHz低速网络，模拟电话420MHz短距离10Base-T以太网5100MHz10Base-T以太网，100Base-T快速以太网E5100MHz100Base-T快速以太网，1000Base-T吉比特以太网6250MHz1000Base-T吉比特以太网，ATM7600MHz10吉比特以太网双绞线（TwistedPair）双绞线RJ-45连接器RJ-11连接器交叉线vs.平行线交叉线（crossing-line）：对等线两端的网线序交叉。两台计算机通过网线直接连接或者两个Hub和uplink口相连。平行线（parallelline）：对等线两端的网线序相同。用来连接电脑和交换机。交叉线

1<------------>3

2<------------>6

3<------------>1

6<------------>2平行线

1<------------>1

2<------------>2

3<------------>3

6<------------>6

配线架与卡线刀双绞线的主要特点结构简单，容易安装，UTP较便宜传输速率较高信号随距离衰减较大，传输距离受限有辐射，容易被窃听主要应用场合室内网络终端或工作站的连接（LAN）实现星型或总线型的网络结构2.2.3同轴电缆Coaxialcable,coax比双绞线有更好的屏蔽性，更好的抗噪性能两种：50欧姆细缆，数字传输；75欧姆粗缆，模拟传输和有线电视，广泛使用。高带宽，可以达到1GHz；传输距离长广泛的使用于有线电视和城域网中同轴电缆卡销式BNC连接器T型头同轴电缆的特点频带较宽，损耗较低，传输距离较远辐射低，保密性好，抗干扰能力强可以实现多路复用传输主要应用场合：计算机联网时，室内用细缆，室外用粗缆应用于多路复用传输和各种拓扑结构2.2.4光纤（FiberOptics）光纤传输原理：折射与反射折射角入射角

包层（低折射率的媒体）

包层（低折射率的媒体）

纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤的分类多模光纤：不同的光束以不同模式（不同的反射角）传播。单模光纤：光纤直径减至几个波长大小时，光在光纤内直线传播。随着广泛使用，价格已经大大降低。广泛用于长距离传输。50Gbps传输100km而不用光放大器。输入脉冲输出脉冲输入脉冲输出脉冲光纤的衰减用于光纤通信的三个波段：0.85、1.30、1.55um，每个波段有25000～30000GHz带宽；后两段有很好的衰减特性。光纤的色散：光在光纤中传播时会发散。色散程度与波长有关。塑料外套保护着这束光纤金属线加固电缆使光缆不会在一个折断光纤的角度弯曲光缆由许多玻璃光纤组成光纤和包层装在塑料外壳内光纤被包层包裹着或覆盖着，这些包层用来反射在光纤中传输的光每根光纤的核心是直径比人发还细、构造完美的玻璃管光缆是一捆极细的玻璃管。每一根比人的头发还细的管子称之为光纤光纤的组成光纤的连接在连接器上终止，并插入到光纤接口中，损失10%~20%的光机械手段结合，10%的光损失熔合，少量光损失光纤传输系统光源：一个光脉冲表示比特1，没有光则表示0。传输介质：极细的玻璃纤维检测器：光信号的接收光敏二极管：光照产生电脉冲，典型的响应时间是1ns（限制数据传输率为1Gbps）光源LED（LightEmittingDiodes，发光二极管）半导体激光波长调节：通过在光纤和光源间插入以下干涉计，可以对波长进行调节。Fabry-Perot干涉计Mach-Zehnder干涉计光纤网络具有有源中继器的光纤环网：信号再生无源星型连接光纤的特点通信容量非常大传输损耗小，中继距离长，适用于远距离通信抗雷电和电磁干扰无串音干扰，保密性好体积小，重量轻主要应用场合：骨干网络为什么光纤如此诱人？给定波段宽带∆λ，就可计算频段∆f，继而计算出数据传输速率。波段越宽，数据传输速率越高。E.g.λ=1.3um,∆λ=0.17um;∆f=30THz。若编码效率为8bit/Hz，则数据传输速率为240Tbps。1966年，英籍华人高锟，2009年诺贝尔物理学奖得主，《光频介质纤维表面波导》，提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信。1970年，损失为20db/km光纤，康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品。1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mbps。上世纪70年代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gbps和10Gbps爆炸性地发展到多波长的Tbps（1Tbps=1000Gbps）传输。当今实验室光系统速率已达10Tbps。光纤通信的历史光纤和铜线的比较光纤的优点光纤具有宽得多的带宽，并且每公里衰减小不受电源震荡、电磁波干扰，不受空气中腐蚀化学物质侵蚀的影响对电话公司的吸引力：细，重量轻，便宜。1000根1km双绞线重达8000kg；同样容量和长度的两根光纤，重100kg。安全性：不漏光光纤的缺点对光纤的处理需要较高的操作技能过度弯曲容易造成光纤损坏单工。双向通信时需要两根光纤，或者频分双工。接口成本高光进铜退2.3无线传输2.3.1电磁波谱电子的运动产生电磁波电磁波可以在空气中传播(通过天线)电磁波每秒钟振动的次数称为它的频率f相邻两个波峰（或波谷）间的距离称为它的波长λ光速c=λf100MHz：3m；1000MHz：0.3m;3000MHz：0.1m无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波

调幅无线电

调频无线电

海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电VHF,UHF,SHF,EHF,THF：甚高频，特高频，超高频，极高频，巨高频电磁波的带宽给定波段宽带∆λ，就可计算频段∆

f，继而计算出数据传输速率。波段越宽，数据传输速率越高。E.g.λ=1.3um,∆λ=0.17um;∆f=30THz。若编码效率为8bit/Hz，则数据传输速率为240Tbps。电磁频谱政策ITU-RWARC协调频率分配方案；FCC授权频段：3G频段非授权频段：TheISM（Industrial,Scientific,Medical，工业的/科学的/医药的）无需授权，小功率扩频：减小彼此干扰蓝牙，WLAN，微波炉等等2.3.2无线电传输容易产生，可以长距离传输，易于穿透建筑物，全方向。特性和频率相关：低频部分，穿透性好，但单位距离衰减大。频率越高，越倾向于直线传播，穿透性变差，单位距离衰减小。雨水吸收，易受干扰。在VLF/LF/MF波段，无线电波沿地面传输在HF/VHF波段，地面波被地球吸收，到达电离层（距地表100~500km）的波可以被电离层反射回来（远距离通信），但是电离层不稳定，且存在多径效应，因而通信速率较低。2.3.3微波传输在100MHz以上的频段内，电波几乎按直线传播。使用抛物面天线：信噪比高，不同方向可复用。主要采用两种形式：微波接力：微波塔越高，微波能走的距离越远。塔高100m则中继器间的距离可以为80km。卫星通信微波对建筑物的穿透力不好。多径衰落（multipathfading）：不同相，信号抵消。在4GHz左右，微波会被雨水吸收。雨雾衰减广泛用于：长途电话网、移动电话网、电视转播优点微波波段频率高，频段范围宽。通信容量很大工业干扰和天波干扰的主要频率成份比微波频率低的多，干扰小，传输质量高通信建设投资少，相对便宜，见效快缺点地面接力相邻站之间必须直视：视距受恶劣天气影响隐蔽性和保密性差中继站的维护成本2.3.4红外线和毫米波广泛用于短距离通信方向性便宜，易于制造不能穿透固体物质：墙壁。有利有弊使用无需经过政府许可2.3.5光波传输将两个建筑物中的LAN通过屋顶上安装激光连接起来。单向，两端都需要激光发生器和光检测器低成本，高带宽安装简单，无需政府许可不能穿透雨雾。激光束很窄。方向性强。气流可以干扰激光通信系统2.4通信卫星人造卫星，天空中的“微波中继站”有多个异频收发器（transponder）每个异频收发器监听频谱的一部分，对进来的信号进行放大，再在另一个频率上重新发送出去向下波束的覆盖范围：可宽可窄影响卫星安放位置的因素：卫星轨道周期随着轨道半径的3/2次幂变化，高度越高，周期越长。范艾伦带：受地球磁场影响的高度带电的粒子层。在该高度，粒子会撞毁卫星。避开适合的三个区域：低轨道（LEO）、中轨道（MEO）、地球同步轨道（GEO）2.4.1地球同步卫星GEO（GeostationaryEarthOrbit，地球同步轨道），赤道轨道上方35,800km高度。为避免干扰，同步卫星之间的距离不能小于2°。太空中最多有180颗同步卫星。ITU负责分配轨道槽以避免混乱频率分配为增大传输容量：各异频收发器之间：频分复用（FDM）每个异频收发器内：时分复用（TDM）VSAT（VerySmallApertureTerminals，小孔终端）：低成本微型站天线小（1m左右）；功耗小（1W左右）对于无足够功率实现相互通信的微型站来说，增加中心站（hub，高增益天线）用于转发VSAT之间的流量。通信卫星的一些特点端到端延迟比较长，典型值270ms，对于使用了中心站的VSAT系统来说，典型值为540ms。地面微波链路典型传播迟延：3us/km;有线链路(coax,fiber)典型传播迟延：5us/km天生的广播介质传输一条消息的成本和经过的距离无关错误率极低部署快速2.4.2中间轨道（MEO）卫星中间地球轨道（Medium-EarthOrbit），轨道周期大约6小时，尚未应用于通信领域美国：GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统），18000km高度，24颗星欧盟：伽利略定位系统，23222km高度，38颗星中国：北斗1号（已投入使用，区域性导航系统）和北斗2号（建设中，全球卫星导航系统，预计2015年建成）北斗二号卫星导航系统北斗二号是中国开发的独立的全球卫星定位系统，规划5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。提供即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为10纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。2.4.3低轨道卫星LEO（Low-EarthOrbit，低地球轨道）优点：终端功耗低，往返迟延小（几毫秒）缺点：完整的通信系统需要大量的卫星实例或构想：铱计划：摩托罗拉，话音通信GlobalStar：话音通信Teledesic：微软，Internet服务铱计划（Iridium）:Motorola由1990年提出。1998年11月服务，1999年8月宣布破产原定77（“铱”）颗，后修订为66颗低轨道卫星。离地高度750km，往返迟延几毫秒。6条卫星项链覆盖全球；每颗卫星最多48个单元格（点波束）提供语音、数据、寻呼、导航等服务，针对偏远地区星上交换信息Globalstar48颗LEO卫星组成地面交换，复杂性放到地面。Teledesic：空中互联网Teledesic通信卫星系统定位于提供全球化的，高带宽的Internet服务。2002年计划中止。计划为用户提供上行100Mb/s，下行720Mb/S的带宽，而每位用户则使用一个小的，VSAT天线完成它设计使用288颗卫星，排列成为12平面，位于距地高度1350KM处。后改成30颗。2.4.4卫星vs.光纤卫星同样可以提供很高的带宽对移动通信的支持广播信息的发布恶劣地形或地面设施很差的地区难于获得路权的地区快速部署网络2.5公共交换电话网络（PSTN）2.5.1电话系统结构公共交换电话网络（PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN）电话系统的结构全连接->中心控制->多层分级电话系统的三个主要部件本地回路（双绞线，模拟信号）干线（光纤，数字信号）：长途干线交换局（干线间的交换）：端局、长途局、中心交换局数字vs.模拟数字信号更容易再生，高速率，低成本，更容易维护数字信号更便于计算机的高速处理2.5.2本地回路传统的调制解调器ADSL无线本地回路调制解调器的应用形式传输线路的三个主要问题衰减（attenuation）：信号在传输过程中的能量损失（dB/km），和频率相关。延迟畸变（delaydistortion）：信号不同频率的傅立叶分量在线路上的传播速度不同。噪声（noise）：一些来自于非发射器的多余能量（热噪声、串扰、脉冲噪声等）当计算机希望通过模拟线路传送数字数据的时候，必须将数据转换成模拟的形式。这是因为数字信号的方波具有很宽的频谱，因而衰减和延迟畸变很严重；基带信号不适合，必须进行调制。调制解调器的作用基本调制技术调幅（AmplitudeModulation，AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化，在数字信号调制中称为幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）调频（FrequencyModulation，FM）：载波的频率随基带数字信号而变化，在数字信号调制中称为频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）调相（PhaseModulation，PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化，称为相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）调制方式为了在每个符号中传输尽可能多的位，多种调制方法可以组合使用。QPSKQAM-16（QuadratureAmplitudeModulation，正交振幅调制）QAM-64标准调制解调器，通常采用2400波特的采样速率V.32：32个星座点（32-QAM），每个码元传输4个数据位和1个校验位，速率2400*4=9600bpsV.32bis：128个星座点（128-QAM），每个码元传送6个数据位和1个校验位，速率2400*6=14,400bpsV.34：每个码元传送12个数据位，速率2400*12=28.8kbpsV.34bis：每个码元传送14个数据位，速率2400*14=33.6kbps所有的调制解调器都是全双工的（full-duplex）（不同方向使用不同频率）。半双工，单工标准的调制解调器截止于33.6kbps电话系统的香农限制是35kbps（与本地回路的平均长度和这些线路的质量有关）计算机~ISP1间存在两个模拟本地回路：源端本地回路和目的端本地回路产生量化噪声的地方

（经过A/D变化的地方）A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机1交换机2V.3433.6kb/s

调制解调器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s

调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用V.34调制解调器（33.6kb/s）

产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号56kbps的modem去掉一个（目的端）模拟本地回路，减小了噪声。计算机~ISP256kbps要求ISP使用数字回路。标准上行信道速率下行信道速率V.3433.6kb/s33.6kb/sV.9033.6kb/s56kb/sV.9248kb/s56kb/s产生量化噪声的地方

（经过A/D变化的地方）使用V.90调制解调器（56kb/s）

A2/4A/DA/D交换机1因特网服务提供者V.9056kb/s调制解调器D/AV.9056kb/s调制解调器数字信号数字信号

至因特网（数字信号）用户环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声下行信道：Internet->交换机1均为数字传输，少一次模数转换数字用户线路（DSL）数字用户线路（digitalsubscriberlines）调制解调器慢速的原因：局端的滤波器限制了本地回路的带宽只有4000Hz解决的方法：去掉局端滤波器，充分发挥本地回路的全部承载能力xDSLADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）DSL的极限传输距离DSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里3类UTP用于DSL时，带宽和距离的关系DSL的设计目标必须在现有的3类UTP上工作不能影响现有的业务必须提供高于56kbps的业务能力服务总可用，按照月租方式收费使用最多的是ADSL上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。ADSL采用离散多音调

DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。DMT离散的多信道调制技术划分1.1MHz可用频谱（频分复用FDM）POTS（PlainOldTelephoneService，传统的简单电话服务）上行数据流下行数据流分为256个独立子信道信道0用于POTS，信道1-5用于语音和数据的保护间隔剩余250条信道中，两条做上行、下行控制外，全部用于用户数据DMT技术的频谱分布…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~25~1100例：每条信道内采样率4000波特，每个波特15位数据，224条下行信道可达速率13.44MbpsADSL（AsymmetricDSL，非对称数字用户线路。标准：ITUG.992.1(也称G.DMT，有分离器的ADSL收发器)；上行640kbps/下行8MbpsG.992.2(也称G.Lite，无分离器的ADSL收发器)；640k/1.5MbpsG.992.3(也称ADSL2，有分离器)；1.2M/12MbpsG.992.4(无分离器的ADSL2收发器)；G.992.5-2003（也称ADSL2+，增强功能的ADSL2收发器)。1.2M/24Mbps。(带宽增至2.2MHz)ADSL设备连接图无线本地回路无线本地回路（WirelessLocalLoop，WLL）比双绞线更经济的的本地回路为用户提供高速度Internet连接服务便于安装指向端局的大的有向天线用户从不移动MMDS（MultichannelMultipointDistributionService，多信道多点分发服务）：原本分配给教育台的频道（共198MHz）被回收用于WLL。在2.1GHz和2.5GHz附近。带宽较窄。LMDS（LocalMultipintDistributionService，本地多点分发服务）工作频段：28~31GHz（欧洲40GHz）；频带宽度1.3GHz后来发展成为IEEE802.16（WMAN）标准应用目标：数字电话、Internet访问、连接两个远距离的LAN、电视和电台广播等毫米波具有很强的方向性，每个天线指向不同的方向，对应一个扇形工作区，相互独立，传输范围2~5km非对称的带宽分配：下行速率高。每扇区36Mbps下行，1Mbps上行，扇区中所有用户共享每扇区支持的活动用户数不应超过9000个LMDS存在的问题毫米波直线传播，屋顶和塔之间必须有一条很清晰的视线树叶和雨水都会吸收毫米波共享信道2.5.3多路复用概念和方法复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术常见的多路复用技术FDM（FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用）：频谱被分为频段，每个用户可以单独拥有某个频段（广播电台）TDM（TimeDivisionMultiplexing，时分复用）：用户轮流获得整个带宽，每次仅使用一小段时间（大会上的轮流发言）频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。TDM非常适合用于传输数字信号，并且便于计算机处理（而FDM则只适合传输模拟信号，并且不适合计算机处理）时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成

线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。统计时分复用

STDM

(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用2.5.4电话系统中的干线和多路复用目前，电话系统中用户环路外，全部使用数字技术。因此话音进入端局后需要数字化。PCM（PulseCodeModulation，脉冲编码调制）：8kHz采样频率（周期125us），每个采样信息用8bits表示。4kHz模拟话音信号→64kbps数字信号电话系统中在较低速度的干线（靠近用户侧）上主要使用时分复用技术。电话系统中在较高速度的干线（靠近核心网）上主要使用波分复用技术。时分多路复用只能用于数字通信，在干线使用。多级多路复用T1及其高阶多路复用E1及其高阶多路复用SONET/SDHT1线路（T1carrier）：北美和日本标准8kHz采样速率（帧长125us），24条语音信道，每个信道8比特，一个帧有24x8比特，另有一个用于同步的比特位，每个帧中的比特数为24x8+1=193，线路速率为193x8k=1.544Mbps。其中23个信道用于用户数据，第24个信道用于特定的同步模式，在失去帧同步时可以快速恢复。E1线路：欧洲和中国标准2.048Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………时分复用帧TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt时分复用帧时分复用帧T=125µs15个话路15个话路帧同步传送信令8X32bit/0.000125sE1（除了北美和日本）：每125us一帧，每帧中32个信道，每个信道8位采样，其中2个信道用于信令，其余30个信道用于用户数据。线路速率为32x8x8000=2.048Mbps多个T1/E1线路可以被复用到更高阶的线路上T1和E1之间不兼容准同步数字序列：异源时钟SONET/SDH：TDM传输系统标准SONET：SynchronousOpticalnetwork，同步光纤网。美国标准。SDH：SynchronousDigitalHierarchy，同步数字序列。CCITT标准。二者差异很小。用于干线传输设计目标必须使不同的承运商可以协同工作统一美国、欧洲和日本的数字系统复用多条数字信道必须支持操作、管理和维护（OAM）SONET的帧组成每125us，810字节的数据块9行，90列，每个单元1个字节前三列保留用于系统管理前三行为段开销后六行为线路开销87列用户数据（SynchronousPayloadEnvelope，同步净荷包封）SPE可以从帧内的任何地方开始。可以跨越两个帧。线路开销的第一行包含一个指针，指向SPE的第一个字节。SPE的第一列为路径开销。其余为用户数据速率线路速率：90x9x8x8000=51.84Mbps（STS-1）SPE速率：87x9x8x8000=50.112Mbps用户数据：86x9x8x8000=49.536MbpsSONET帧背靠背（backtoback）传输，帧间无间隔每帧的前两个字节有固定的模式用于同步SONET复用层次波分多路复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）：频分WDM发展趋势容量越来越大。2.5Gbps*8=20Gbps→2.5Gbps*40=100Gbps→10Gbps*96=960Gbps。DWDM（DenseWDM，密集波分复用）:波长间隔很近（0.1nm）通过WDM技术，在不同波长上并行运行多条信道，使得聚合起来的带宽随信道数目线性增加。单根光纤带宽大约为25,000GHz全光化，使用全光放大器，光分插复用器，光交叉连接等设备，无需光电转换2.5.5交换（Switching）电路交换（CircuitSwitching）在收发两端建立一个专用的物理通路。专用的物理通路可以是一个时隙。通信之前，先建立连接；通信之后，拆除连接电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA报文交换（MessageSwitching）收发双方事先不需要建立专用通路发送方发送的消息（message），采用存储转发方式，在交换机中整个消息被完整的接收下来再转发出去；这样消息逐跳的在交换机中被中转，直到到达目的端。缺点长时间占用线路，无法同时为多个用户提供服务存储转发时间长，不利于沿路各交换节点并行处理数据消息越长，端到端迟延就越大。对资源的消耗高，错误恢复成本高。分组交换（PacketSwitching）以大小受限的分组（packet）为单位，在每一个中间交换结点（router）首先被存储，再转发到下一个结点，这称为存储转发方式（storeandforward）虚电路：事先建立专门的路径，各分组沿相同路径转发。数据报：各分组独立被转发，事先没有建立专门的路径。三种交换方式性能参数：吞吐量，时延三种时延：发送时延；传播迟延；排队迟延项目电路交换分组交换-虚电路分组交换-数据报建立呼叫连接要求要求不要求专门的物理路径是否否每分组路径相同相同不同分组按序到达是是否单点故障是是否可用带宽固定动态动态可能有浪费的带宽是否否可能拥塞的时间点连接建立时连接建立和分组传送分组传送时存储-转发机制否是是透明传输是否否收费计时记流量记流量电路交换和分组交换的比较服务质量与资源消耗的矛盾2.6移动电话系统无绳电话（cordlessphone）移动电话（蜂窝电话，cellphone）第一代：模拟语音第二代：数字语音第三代：数字语音和数据2.6.1第一代移动电话：模拟语音1964年，按钮启动式通话系统20世纪60年代，IMTS（ImprovedMobileTelephoneSystem，改进的移动电话系统）1982年，AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem，高级移动电话系统）：Bell实验室发明.AMPS的蜂窝cell每个地理区域分成许多蜂窝单元，如上图（a），每个cell使用一组频率，跨度10~20km，并且这组频率在相邻蜂窝中不再使用（保证良好的隔离性和较低的干扰），实现频率重用。较小的蜂窝单元可以增加系统容量。如上图(b)微蜂窝：切换handoff：移动站从一个蜂窝到另一个蜂窝时的信号转移过程。软切换：同时与两个基站保持信号联系硬切换基站（basestation）位于蜂窝中心，所有的移动电话都直接和基站通信基站和MTSO（MobileTelephoneSwitchingOffice，或MSC）连接系统内的MTSO形成类似PSTN的多级连接AMPS的组成AMPS利用FDM分隔信道共有832个全双工信道，每个信道由一对单工信道组成832个发送信道的频率范围824—849MHz832个接收信道的频率范围869—894MHz每个单工信道的带宽为30kHz相邻蜂窝不能使用同样的频率，每个蜂窝实际可用的语音信道为45个左右信道的分类控制（基站→移动电话），用于管理系统呼叫（基站→移动电话），用于提醒用户呼叫到来访问（双向），用于呼叫建立和信道分配数据（双向），用于语音、传真和数据AMPS的信道呼叫管理移动电话A→基站（我在你的服务区）用户拨号，被叫号码B+主叫号码A→基站（我是A，帮我呼叫B）（访问信道）MTSO寻找一条空闲信道f，基站→移动电话A（OK，请切换到频率f）（控制信道）MTSO查找被叫方的主MTSO被叫方所在蜂窝基站→所有区内移动电话（B在不在？）（呼叫信道）移动电话B→基站（我在）（访问信道）基站→移动电话B（有人在频率f上呼叫你）移动电话B切换到频率f，并开始振铃我国的第一代模拟蜂窝系统TACS：英国研制，全接入通信系统采用FDMA接入，以窄带调频（FM）的方式传送模拟话音信号工作频率A频段890MHz～897.5MHz 移动台→基站935MHz～942.5MHz基站→移动台B频段897.5MHz～905MHz移动台→基站942.5MHz～950MHz基站→移动台频道间隔：25kHz双工间隔：45MHz2001年底关闭2.6.2第二代移动电话：数字语音D-AMPS，数字高级移动电话系统，TheDigitalAdvancedMobilePhoneSystem。广泛用于美日GSM，全球移动通信系统，GlobalSystemforMobilecommunication。CDMA，码分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess。D-AMPS国际标准IS-54和IS-136AMPS兼容，可以动态改变信道类型（模拟/数字）新加入1900MHz频段上行1850~1910MHz下行1930~1990MHz更短的波长导致了更小的手机声音被数字化并压缩，PCM编码降到8kbps以下。声音编码器（vocoder）多个用户可以通过TDM共享一对频率每个子信道（一对频点）每秒25帧，每帧40ms，分为6个时隙，每个时隙6.67ms，324bit（64bit控制+101bit纠错+159bit用户数据），每个子信道速率324x6x25=48.6kbps三个用户轮流使用单个子信道单向语音数据：159x50=7.95kbps六个用户轮流使用单个子信道如何减少编码时每条信道所需要的位数:差分脉冲编码调制：输出当前样本与前一个样本的差值。增量调制(deltamodulation)：每个样本值与前一个相差1。预测编码:根据前面少数值预测下一个值，然后对实际信号值与预测值间的差值进行编码。GSMGSM和D-AMPS的相同点都是蜂窝状的系统都使用频分复用，一对频率提供全双工信道同一信道上利用TDM多个用户共享GSM和D-AMPS的不同点GSM提供每信道200kHz带宽，D-AMPS提供每信道30kHz带宽D-AMPS用于美日，GSM广泛用于其他国家。124对单工信道组成124个全双工信道，每个信道带宽200kHz每个信道使用TDM机制支持8个独立连接（时隙），每个TDM帧长4.615ms。26个TDM帧构成一个120ms的复帧，其中有24个给用户使用每个时隙含一个148bit的数据子帧，持续时间547us每个信道总的传输速率270kbps，由8个用户共享每用户速率33.854kbps，纠错前净荷速率能达到24.7kbps考虑到使用纠错，语音数据可达13kbps。GSM中的控制信道广播控制信道：移动站发现基站专用控制信道：位置更新、注册和呼叫建立公共控制信道呼叫信道：移动站监听以获知有呼叫到达随机访问信道：允许用户在专用控制信道上请求一个时隙访问授权信道：宣告在专用控制信道中被分配的时隙CDMACDMA的国际标准IS-95，被认为是最佳的技术方案，是第三代移动通信的基础CDMA和TDMA，FDMACDMA并不将整个可用的频率范围分成窄的信道，而是允许每个站在任何时候都可以在整个频段范围内发送信号，有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。假设信号可以线性叠加，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。CDMA系统的工作原理将每一个数据比特时间（bittime）分成m个时间间隔，每个时间间隔称为时间片（chip，码片）每一个站分配一个唯一的m位代码，称为时间片序列（chipsequence）传送1时，发送该站的时间片序列传送0时，发送该站的时间片序列的反码对系统带宽的要求增加了m倍（b→mb）CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttm

个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx数据码元比特每个站都有唯一的时间片序列所有的时间片序列两两正交，即任何两个不同的时间片序列S和T归一化内积S·T为0，即在S和T的分量中，对应分量相等的数目与不相等的数目一样多。CDMA举例CDMA的优势与困难大容量抗干扰能力强同步要求严格远近效应--功率控制2.6.3第三代移动电话：数字语音和数据IMT-2000预期提供的服务：2Mbps速率（固定时），384Kbps（移动时）高质量的语音；消息服务；多媒体；Internet现有的提案WCDMA（WidebandCDMA），爱立信提出；采用直接序列扩频（DSSS）；5MHz信道带宽；欧盟支持，也叫UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem）；可与GSM网络协同工作CDMA2000，Qualcomm，美国支持采用DSSS，5MHz带宽，与IS-95兼容TD-SCDMA（timedivisionsynchronouscodedivisionmultipleaccess），大唐移动，