第二章物理层-zb-2009

第二章 物理层简介物理层处于网络模型的最底层，它为网络定义了：机械、电气和时序的接口我们将要介绍数据传输的理论讨论三种主要传输介质有导向（铜线和光纤）无线卫星讨论三个通信系统固定电话系统移动电话系统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。2.1数据通信的理论基础通过某种物理特性（电压或电流）的变化，可以在线路上传输信息可以用以时间t为自变量的单值函数f(t)表示电压或电流的值，从而对信号的行为建模，并用数学手段对信号进行分析。傅立叶证明了：任何一个正常的周期为T的函数g(t)，都可以展成多个（可能无限个）正弦和余弦函数的和。傅立叶级数。f=1/T基频an和bn是n次谐波的正弦和余弦振幅c为常量2.1.1傅立叶分析一个时间有限（时长为T）的数据信号（所有的数据信号都是这样的），可以想象成它在一遍又一遍的重复整个模式（即，在T－2T之间的信号，与0－T之间的信号完全一样）。2.1.2有限带宽的信号所有的传输设施在传输过程中都会损失一些能量。传输设施对不同傅立叶分量的衰减不相同，导致信号变形。传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围称为传输设施的带宽（bandwidth，BW）。从0到某一个频率fc

（Hz）这一段范围内，振幅在传输过程中不会衰减，而在fc之上的频率所对应的振幅则会有不同程度的衰减。通常带宽是指从0到某一个能保留一半能量的频率处带宽是传输介质的物理属性，取决于介质的材料、厚度和长度。ASCII字符“b”编码为8位（bit）的字节（byte），被传输为“01100010”平方根振幅其平方与对应频率处的传输能量成正比。信号长度为T2.1.3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的低通滤波器，若信号包含了V个离散级数（即一个码元代表log2V比特），则最大数据（或信息）传输速率为无噪声3kHz信道，其最大码元传输速率为6000symbol/s。码元传输速率(波特，symbol/s)与信息传输速率(bps)的区别。香农定理：一条带宽为H（Hz）、信噪比为S/N的有噪声信道，最大信息传输速率为信噪比表示，分贝：10lg(S/N)，dB带宽3kHz，信噪比30dB，则最大信息传输速率为30Kbps。2.2有导向的传输介质每种传输介质都有自己的特性：包括带宽、迟延、造价，以及安装和维护的难易程度。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信号。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。ADSL；出线率UTP（UnshieldedTwistedPair，无屏蔽双绞线）：绞合后，相互干扰抵消，电线辐射减弱3类（category3）双绞线，16MHz5类（category5）双绞线，100MHz2.2.3同轴电缆Coaxialcable，简称coax两种：50欧姆，数字传输；75欧姆，模拟传输和有线电视，广泛使用。比双绞线有更好的屏蔽性，因此有很好的抗噪性能高带宽，可以达到1GHz；传输距离长仍然广泛使用于有线电视和城域网中2.2.4光纤光纤传输系统光源传输介质：极细的玻璃纤维检测器一个光脉冲表示比特1,没有光则表示0。光纤传输的原理：折射与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。光纤的衰减衰减的分贝数＝10lg(传输的能量/接收的能量)用于光纤通信的三个波段：0.85、1.30、1.55µm，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。光纤的组成:芯（玻璃），封套，外套光纤的连接在连接器上终止，并插入到光纤接口中机械手段结合熔合光源LED（LightEmittingDiodes，发光二极管）半导体激光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和铜线的比较光纤vs铜线的优点光纤具有宽得多的带宽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vs铜线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;0.1m:3000MHzVHF,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。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）的波可以被电离层折射回来（远距离通信）2.3.3微波传输在100MHz以上的频段内，电波几乎按直线传播。微波系统。抛物面天线微波塔越高，微波能走的距离越远。塔高100m则中继器间的距离可以为80km。微波对建筑物的穿透力不好。多径衰落（multipathfading）：不同相，信号抵消。一直到10GHz的频带都被利用，4GHz左右，微波会被雨水吸收。雨雾衰减优点：相对便宜广泛用于：长途电话网、移动电话网、电视转播电磁频谱政策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）非授权小功率强制使用扩频：减小彼此干扰2.3.4红外线和毫米波无导向（无线）使用时，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。有利有弊红外系统的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。大气激光（无导向）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）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270ms）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跳消息的成本和经过的距离无关部署快速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GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）:18000km高度，24颗星2.4.3低轨道卫星LEO（Low-EarthOrbit，低地球轨道）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（采用点波束spotbeam）卫星之间交换信息提供语音、数据、寻呼、导航等服务，针对偏远地区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。计划为用户提供上行100Mb/s，下行720Mb/s的带宽，而每个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。Ka波段，空中分组交换。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、中心长途局数字vs.模拟数字信号更容易再生，高速率，低成本，更容易维护2.5.3本地回路：调制解调器、ADSL和无线数/模和模/数转换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，必须进行调制载波（wavecarrier）：1000~2000Hz的正弦波调制方式调幅（amplitudemodulation）：使用两种（或多种）不同的振幅代表数字信息调频（frequencymodulation）：使用两种不同的频率调相（phasemodulation）：通过改变载波的相位调制方式调制解调器（modem）：一种以一个位序列作为输入，并且产生一个经过以上任意一种（或多种）方法调制的载波输出（或相反）的设备。波特率：每秒钟传送的符号（码元，symbol）数，单位波特（baud）一个波特承载一个码元。波特率和码元率相同波特率越高，数据传输的速度越高，但是受到奈奎斯特准则的限制一个码元可以包含多个比特。（e.g.QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK，正交相移键控）位传输速率（比特率）：指一条信道上发送的信息的数量，取决于每秒的采样次数（波特率）和每个采样的位数。位传输速率＝波特率×每个符号表示的比特数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。星座图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56kbps的modem去掉一个（目的端）模拟本地回路，减小了噪声，最大数据速率加倍（35kbps->70kbps）。计算机~ISP2V.90：上行33.6kbps，下行56kbps；连接建立时间30s。V.92：上行48kbps，下行56kbps；连接建立时间小于15s。用户数字线路（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（常在线）DMT（DiscreteMultiTone，离散的多信道调制）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ADSL设备连接图每条信道内采样率4000波特，每个波特15位数据，224条下行信道理论速率可达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。(下行带宽增至2.2MHz)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两种无线本地回路MMDS（MultichannelMultipointDistributionService，多信道多点分发服务）LMDS（LocalMultipintDistributionService，本地多点分发服务）后来发展成为IEEE802.162.5.4干线和多路复用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）：T1/E1波分多路复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）：频分容量越来越大。

WDM：2.5Gbps*8=20Gbps→2.5Gbps*40=100Gbps→96Gbps*10=960Gbps。DWDM（DenseWDM，密级波分复用）: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)时分多路复用(TDM)只能用于数字数据，在干线使用。端局进行一个模-数转换。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T1线路（T1carrier）：北美和日本标准8kHz采样速率（帧长125us），24条时隙构成一个TDM帧，每个时隙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（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个信道用于信令和帧同步，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，同步数字系列。CCITT标准。二者差异很小。用于干线传输设计目标使不同的运营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支持操作、管理和维护（OAM）两个背靠背的SDH帧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。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SPE可以从帧内任何一个位置开始，可以跨越两个帧SONET复用层次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。受消息大小影响，端到端迟延大。只是一个概念，未被使用。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，即采用分组的存储转发（storeandforward）各分组可以独立被转发，事先没有建立专门的路径（称为无连接的分组交换）。也可以先建立路径，然后沿该路径传送分组（称为虚电路方式的分组交换）。三种交换方式比较四种时延：发送时延；传播时延；排队时延；处理时延性能参数：吞吐量，时延，时延抖动电路交换和分组交换的比较2.6移动电话系统无线电话无绳电话（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.a）蜂窝：频率重用每个地理区域分成许多蜂窝单元（cell），每个cell跨度10~20km每个蜂窝单元使用一组频率，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）较小的蜂窝单元可以增加系统容量。b)微蜂窝：热点基站（basestation）位于蜂窝中心，所有的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MTSO和基站之间进行通信，并利用一个分组交换网络与PSTN连接切换（handoff，移交）：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）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？）移动电话B→基站（我在）基站→移动电话B（有人在频率f上呼叫你）2.6.2第二代移动电话：数字语音D-AMPS—TheDigitalAdvancedMobilePhoneSystem，数字的高级移动电话系统。广泛用于美日国际标准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共享一对频率每秒25帧，每帧40ms，分为6个时槽，每个时槽6.67ms，324位长三个用户轮流使用单向速率总速率：324x6x25=48.6kbps语音数据：159x50=7.95kbps6个用户的情况GSM（GlobalSystemforMobilecommunication，全球移动通信系统）GSM和D-AMPS相同点都是蜂窝状的系统都使用频分复用，用一对频率提供全双工信道同一信道上利用TDM多个用户共享不同点GSM提供200kHz带宽，D-AMPS提供30kHz带宽GSM广泛用于欧洲。D-AMPS用于美日GSM124对单工信道组成124个全双工信道每个信道带宽200kHz使用TDM机制支持8个独立连接。每个TDM帧长4.615ms。GSM的复帧8个数据帧构成1个TDM帧，26个TDM帧构成一个120ms的多帧，其中有24个给用户使用一个TDM帧内的一个数据帧持续547us，148位信道总的传输速率270kbps，8个用户共享每用户速率33.854kbps，净荷速率能达到24.7kbps13kbps的语音数据。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槽访问授权信道：宣告在专用控制信道中被分配的时槽CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多路访问）国际标准IS-95，用来规定CDMA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，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，假设信号可以线性叠加，利用编码技术可以将多个并发的传输过程分开。CDMA系统的工作原理将每一位时间（bittime）分成m个时间间隔，每个间隔称为时间片（chip）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补码（非值）对系统带宽的要求增加了m倍（b→mb）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（timedivisionsynchronouscodedivisio