第2章数据通信的基础知识.ppt

1、1,第2章 数据通信的基础知识,本章内容 信道 传输介质 数据编码 多路复用技术 数据交换技术 差错控制及检错,2,2.1 基本概念,数据及计算机通信术语 数据（Data）：传递（携带）信息的实体。 信息（Information）：是数据的内容或解释。 信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。 模拟信号、数字信号 基带（Base band）、宽带（Broad band） 信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。 比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。 码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码

2、单元。,3,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同步脉冲,t,码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。,4,波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。 比特率、波特率和信号编码级数的关系如下： Rbit = Rbaud log2M 上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率 如果信号分为两级：0、1，则波特率 = 比特率 如果信号分为：0、1、2、3、4、5、6、7 则一次信号变化（一次采样

3、）可使用3bit来表示 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。 例如：当波特率为9600时 若M=2，数据传输率为9600b/s 若M=16，数据传输率为38.4kb/s,5,误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。 例如：ASCII编码、BCD编码等 数据编码：将数据用物理量表示的方法。 例如：字符A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,6,带宽（Band width，BW） 信道传输能力的度量。在传统的通信工程中： BW fmax fmin 单位：赫

4、兹（Hz） 在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。 例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽为10Mb/s。 时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。 时延=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延 处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c),7,1. 数据通信的一般概念,通信的三个要素：信源、信宿和信道,任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输

5、的信号产生干扰，称为“噪声”。 外界：闪电、串扰、电气设备 内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关） 串扰(crosstalk)是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。,8,信息通过数据通信系统的传输过程 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地 信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输 编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错 调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调：接收波形数字信号 解码：数字信号原始数据,9,2. 数据通信系统的构成,数据传输系统 传输线路 有线介质、无线介质 传输设备 调

6、制解调器、中继器、多路复用器、交换机等 调制解调器等网络接入设备也称为DCE（Data Communication Equipment） 数据处理系统：计算机、终端等 又分为： 源系统（信源发送器）：发出数据的计算机 目的系统（信宿接收器）：接收数据的计算机 计算机、终端等设备也称为DTE（Data Terminal Equipment ）,10,数据通信基本过程,5个阶段 包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话比较 建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份 数据传输 互相通话 断开逻辑连接 互相确认要结束通话 断开物理连接 双方挂机,*注意，并不是所有的数据通信都需

7、要全部5个阶段。,11,2.2 信道及其主要特征,1. 数字信道和模拟信道 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 CATV、无线电广播、电话拨号线路,12,模拟信号和数字信号 模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值, 指在某个时间区间产生的连续的值。例如：声音和视频、温度和压力等都是连续变化的。 模拟信号能在数字信道上传输吗？ 数字信号 数字数据是指时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号，例如文本信息或整数。 数字信号能在模拟信道

8、上传输吗？,t,a） 模拟信号,b） 数字信号,13,周期信号和非周期信号 周期信号 信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波） 非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。,周期信号,非周期信号,14,数字通信与模拟通信 数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。,15,2. 信道的最大数据传输率,N

9、yquist公式：用于无噪声理想低通信道 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 例如，话音级线路的带 宽约为3.1kHz，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示 低通-只允许低频通过，不允许高频通过。,M 最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s 16 24800 b/s 32 31000 b/s,16,非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 延迟会使接收端的信号产生畸变。 噪声会破坏信号，产生误码。 例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会

10、破坏约560个比特。,17,Shannon公式：用于有噪声干扰信道 例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则 C = 3100log2（1+2000） 34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。,信噪比的单位也可用分贝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N 所以，若S/NdB=30dB ，则S/N=1000。,18,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C = 2W log2M 用于理想信道（这样的信道存在吗？） 数据传输率随信号编码级数增加而增加。 C = W log2（1+S/N） 用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！） 无论信号编码级数

11、增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,19,3. 通信网络中站点的连接方式,20,4. 数据传输方式,单/双工通信单/双向传输 单工：数据单向传输（例：无线电广播） 半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机） 全双工：数据可以双向同时传输（例：电话） 需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。,21,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同

12、时,不可同时,22,基带/频带/宽带传输 基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网） 频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：通过电话网络传输数据 宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输,异步传输与同步传输,同步： 通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步,一方面码元之间要保持同步,另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。 实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有异步传输和同步传输两种。 同步传输与异步传输的引入是为了解决

13、串行数据传输中通信双方的码组或字符的同步问题。,异步传输,所谓“异步传输”：意指每次传输一个字符代码(58 b)。传输时，在一个字符的前后均加上一个特殊的标志(称为起始位和终止位)，以标记字符的开始和结束，另外还要附加一位奇偶校验位，以实施简单的差错控制。 异步传输的基本特点是：在通信的数据流中，字符内部各位间是同步的，而字符间是异步的。,同步传输,同步传输：是以同步的时钟节拍来发送数据信号，在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。 同步传输的基本特点是：在通信的数据流中，字符或码组间以及位与位之间是同步的。显然，这种通信方式对同步的要求很严格。但由于不需要对每一

14、个字符单独加起、止码元作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列，因此传输效率高，适合较高速率的数据通信系统。,同步传输和异步传输的数据格式,异步传输和同步传输的区别,1. 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是 面向比特的传输。 2. 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是 帧。 3. 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住 再同步的机会，而同步传输则是从数据中抽 取同步信息。 4. 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往 通过特定的时钟线路协调时序。 5. 异步传输相对于同步传输效率较低。,28,数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上一致： 同步脉冲频率 数据从什么时候

15、开始，什么时候结束 位边界 数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步： 位位同步 字符字符同步 帧(Frame)帧同步,29,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法： 外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,30,字符同步：找到正确的字符边界。 常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要： 1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位 采用这种同步方式的通信

16、也称“异步通信”。 起止式的优缺点： 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步； 每两个字符之间的间隔时间不固定； 增加了辅助位，所以传输效率低； 例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其传输效率为8/1173,31,帧同步：识别一个帧的起始和结束。 帧（Frame）：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块 面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧 面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,7EH,7EH,32,2.3 传输介质,磁介质 高带宽、低费用、高延时（小时）

17、 在通信中很少使用 例：7GB/8mm磁带，1000盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。 总容量=7(GB)*1000(盘)*8bits=56000Gb 总时间=24*60*60=86400s 传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若让刘翔来传送1盘10GB的磁带，在110米内其传输速率是多少？ 金属导体 双绞线、 同轴电缆(粗、细) 光纤 无线介质 无线电、微波、卫星、红外线,传输介质的种类,同轴电缆,35,双绞线（Twist Pair，TP）,-螺旋绞合的双导线 -每根4对 -典型连接距离100m（LAN） -RJ45插座、插头 -优缺点： 成本低 组装密度

18、高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离短,应用领域：电话网络、计算机局域网,36,屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线(UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少,双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛,常用的双绞线：3类（16Mb/s） 和5类（155Mb/s）两种,非屏蔽双绞线和RJ-45连接器,对绞的电缆因为其中传输的信号方向相反，从而使彼此的电磁辐射相互抵消，因此使收、发数据之间的干扰降到最小。,RJ-45接头和接口,所需的主要工具,40,双绞线的连接标准 色彩标记和连接方法： 交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口) 直连线

19、：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口),交叉线 EIA-568B,直连线 EIA-568A,直通UTP电缆,交叉UTP电缆,43,1. 计算机与交换机的连接 用直通双绞线连接计算机与交换机。 交换机的接口通常分为级联接口和普通接口。 交换机的级联接口(Up-Link)。有的交换机只有普通接口；有的交换机兼有两种接口，但是多数接口都是普通接口，通常只有一个接口是级联接口。说到交换机的接口中，若没有特别指明，通常指的是普通接口。 连接计算机网卡与交换机普通接口时，应该使用直通双绞线。,44,2. 交换机与交换机的连接 同一个网段内的终端用户有时会很多，可能会超过几十台甚至上百台

20、机器，而我们常用的集线器、交换机一台的端口数有限，为了解决这个矛盾，可以把多台集线器或交换机进行级联或堆叠在一起使用以增加端口的数量，增加网络的可扩展性。 交换机的级联 通过一台交换机的级联接口与另一交换机的普通接口相连，应使用直通双绞线；如果两台交换机的级联接口相连或普通接口相连，应使用交叉双绞线。,如图是使用直通双绞线把二台交换机的级联口与另一台交换机的普通端口相连。Uplink到普通口,如图所示是使用交叉双绞线将两台交换机的级联口相连。Uplink到Uplink,如图所示是使用交叉双绞线将两台交换机的普通口相连。即普通口到普通口。,48, 交换机的堆叠有的交换机支持堆叠功能，称为堆叠式交

21、换机。堆叠支持交换机的级联口与一个堆叠模块的普通端口用直通双绞线连接。交换机的堆叠如图所示。,49,堆叠与级联比较，有以下几个好处： 如果交换机是一台可网管交换机，因此通过堆叠方式，可以将网管功能传递到与之相连的交换上，从而实现多台交换机采用一个IP地址即可管理到； 因为堆叠是采用专用的模块和电缆，比起级联来，其不会占用交换机的端口； 因为堆叠是采用专用的模块和电缆，交换机的堆叠之后传输速率比级联高。,50,光纤（Optical Fiber） 依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播。 优缺点： 传输带宽高：仅受光电转换器件的限制 （100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好

22、、误码率低，保密性好 轻便 价格较高 需要光电转换 纤芯材料： 塑料 二氧化硅 （高纯玻璃）,光纤容量,52,光纤传输原理光的反射 光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。 纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低 亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测 光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管 光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤 应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接,53,多模光纤(MMF) 单模光纤(SMF)：光纤的直

23、径接近一个光波波长,54,典型的光缆,单芯光缆,多芯光缆,常见规格：纤芯50um缓变型-MMF 62.5um缓变型/增强型-MMF 8.3um突变型-SMF 包层125um,55,高密度多芯光缆剖面结构,芯,封套,外套,加强芯,光纤,外鞘,加强芯,光纤束,56,同轴电缆（Coaxial Cable） 计算机网络中使用基带同轴电缆 阻抗50，有粗同轴和细同轴两种 应用：总线局域网（以太网） 性能：10Mb/s，500米/185米,10base5 粗同轴电缆,10base2 细同轴电缆,58,无线介质（信号在大气或外层空间自由传播） 使用电磁波或光波携带信息 优缺点： 无需物理连接 适用于长距离或

24、不便布线的场合 易受干扰 反射，为障碍物所阻隔 主要类型： 无线电、地面微波 通信卫星 红外线,59,无线电 基站与终端之间通信采用无线链路 应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）,基站覆盖的无线电区域,基站,用户计算机和终端,60,地面微波 通过地面站之间接力传送 接力站之间距离：50 -100 km 速率：每信道 45 Mb/s,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,61,地球同步卫星 与地面站相对固定位置 使用3颗卫星即可覆盖全球 传输延迟时间长（270ms） 广播式传输 应用领域： 电视传输 长途电话 专用网络 广域网,35,784 公里,地球,62,常用传输介质的比较（表2.1

25、）,63,2.4 数据编码,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,64,模拟传输和数字传输所使用的技术,65,编码与调制的区别 编码：用数字信号承载数字或模拟数据 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或 模拟数据,数字信号,x(t),g(t),数字或 模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),编码,解码,66,调制与解调,67,1. 数字数据的数字信号编码,使数字数据能在数字信道上传输 把数字数据转换成某种数字脉冲信号 常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码 不归零码（NRZ，Non-Return to Zero） 二进制数字0、1

26、分别用两种电平来表示； 常用5V表示1，5V表示0； 缺点： 存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。,68,曼彻斯特编码（Manchester Coding） 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变： 高低的跳变代表0，低高的跳变代表1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。 差分曼彻斯特编码（Differential ） 每个码元的中间仍要发生跳变。 用码元开始处有无跳变来表示

27、0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。,69,70,三种数字编码的波形图,71,2. 数字数据的调制,使数字数据能在模拟信道上传输 三种常用的调制技术： 幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying） 频移键控FSK （Frequency Shift Keying） 相移键控PSK （Phase Shift Keying） 原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位 调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化,72,73,74,75,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载

28、波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1,76,3. 模拟数据的数字信号编码,使模拟数据能在数字信道上传输 采样定理： 如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号 模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤： 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为PCM信号（脉冲码调制, Pulse Coded Modulation）。,77,78,语音信号的数字化 语音带宽

29、f2倍语音最大频率） 样本量化级数：256级（8bit/每样本） 数据率：8000次/s*8bit = 64kb/s 每路PCM信号的速率 = 64kb/s,79,PCM编码过程举例,80,81,2.5 多路复用技术,多路复用：多路复用技术就是将一条物理信道分割成多条逻辑信道，每条逻辑信道单独传输一路数据信息，并且互不干扰，以达到提高物理信道利用率和吞吐量的一种技术。 多个信息源共享一个公共信道 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时 类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）,82,83,复用的基本思想： 把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。 复用方

30、法 频分复用FDM （Frequency Division Multiplexing） 按频率划分不同的信道，如CATV系统 波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波长划分不同的信道，用于光纤传输 时分复用TDM （Time Division Multiplexing） 按时间划分不同的信道，目前应用最广泛 码分复用CDM （Code Division Multiplexing） 按地址码划分不同的信道，非常有发展前途,84,频分复用FDM 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。,

31、CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,CH1,CH2,CH3,带宽复用信号,f,复用器,85,86,波分复用光的频分复用 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。,87,时分复用TDM 原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。,88,89,由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。 一个时间片内传输的多路数据称为帧。 时分复用的典型例子：PCM信号的传输 把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步

32、信息和信令信息） 每帧在一个时间片内发送 每个时隙承载一路PCM信号,90,统计（异步）TDMATDM STDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。 ATDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。,91,时分复用数字载波复用标准,T-标准 （北美、日本） E-标准 （欧洲、中国、南美） E1（一次群）标准 每125ms为一个时间片，每时间片分为32个通道（时隙）。每个时隙可容纳8bit。 通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。 E1速率 = （32x8bit）/125ms = 2.048 Mb/s 对E1进一步

33、复用，还可构成E2到E5等高次群。 E5可承载7680个话路，数据率约为565Mb/s。 新的TDM标准是同步光网络（SONET）和ITU-T的同步数字系列（SDH）。常用的线路速率为（近似值） 155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。,92,E1-帧格式,E1线路也可以用于计算机通信,93,94,码分复用CDM 原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。 地址码序列两两相互正交： 码序列A

34、、B，应满足 AB =0，A B =0，A A =1，A A =-1 其中 为内积运算。 在无线移动通信中应用广泛。,95,码分复用常称为码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)，是另一种共享信道的方法。每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量

35、。,96,在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的时间间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。为了简单起见，我们设m为8。使用CDMA的每一个站被指派一个惟一的m bit码片序列（chip sequence）。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8 bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们以后将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是(-1-1-1+1+1-1+1+1)。,97

36、,CDMA系统的一个重要特点就是系统给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)，即内积（inner product）都是0，但任何一个码片向量的规格化内积都是1，一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。 假设有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。再根据叠加原理(假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系)，那么求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉(其内积的相关项都是0)，而只剩下S站发送的信号。当

37、S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1，当S站发送比特0时，内积的结果是 -1。,98,2.6 数据交换技术,什么是交换？ 按某种方式动态地分配传输线路资源。 例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。 最初的交换：人工转接交换 为什么要采用交换技术？ 节省线路投资，提高线路利用率。 实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。,99,电路交换 在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。 可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的”（典型例子：电话）

38、 过程：建立连接通信释放连接 优缺点： 建立连接的时间长； 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； 无纠错机制； 建立连接后，传输延迟小。 不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。 例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。线路利用率？,两部电话机只需要用一对电线 就能够互相连接起来。,传统电话网使用电路交换,但若要将 5 部电话机两两相连， 则需要 10 对电线 传输线数量=n*(n-1)/2 (n-节点数),传统电话网使用电路交换,当电话机的数量很大时， 就必须使用电话交换机进行连接,传统电话网使用电路交换,(,(,A

39、,通话前先拨号建立连接。 可能只要经过一个交换机（如 A 到 B） 可能要经过多个交换机（如 C 到 D） 通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。 通话结束后，挂机释放连接。,电路交换的特点,(,(,(,(,(,(,B,C,D,104,电话网络中的电路交换 电路交换也能在多路复用信道上实现 在物理线路的某个信道上建立连接,105,报文交换 以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发(store and forward ). 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结

40、点传输报文时建立结点间的连接。称为“无连接的”（典型例子：电报） 整个报文（Message）作为一个整体一起发送。 优缺点： 没有建立和拆除连接所需的等待时间； 线路利用率高； 传输可靠性较高； 报文大小不一，造成存储管理复杂； 大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高； 出错后整个报文全部重发。 比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？,106,分组交换（包交换）（packet-switched） 将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。 数据传输前不需要建立一条端到端的通路也是“无连接的”。 有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。 优

41、缺点： 对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快； 转发延时小适用于交互式通信； 某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高； 各分组可通过不同路径传输，容错性好。 需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。,报文,分组交换的原理（一）,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（二）,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,分组交换的原理（三）,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部

42、中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发（store-and-forward） 方式，分组就能传送到最终目的地。,分组交换的原理（四）,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（五）,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,分组交换,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,首部,首部,首部,发 送,

43、发 送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5

44、,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,这就是基于存储转发的分组交换,分组从 A 传送到 B 的过程,117,分组交换有两种交换方式： 数据报方式和虚电路方式,118,数据报方式（Datagram） 各分组独立地确定路由（传输路径） 不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装,数据报方式不能保证分组按序到达,分组可能通过多个路径穿越网络,119,虚电路方式（Virtual Circuit） 通信前预先建立一条逻辑连接虚电路 虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的 类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网

45、络，火车站:节点） “北京广州”这条线路可以看成是一条虚路径 也需要三个过程：建立数据传输拆除 建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源 虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要 数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络“数字管道” 提供的是“面向连接”的服务 但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段与铁路系统类比！ 可以看成是采用了电路交换思想的分组交换 能够保证分组按序到达 永久虚电路PVC和交换虚电路SVC,120,分组通过预先建立好的虚电路穿越网络,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C

46、 D,报文交换,电路交换,分组交换,t,122,三种交换方式的事件顺序,123,2.7 差错控制与检错,什么是差错控制？ 在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正 为何要进行差错控制？ 不存在理想的信道传输总会出错 与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。 产生差错的原因： 信号衰减和电噪声; 信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变； 信号反射，串扰； 冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。,124,差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收到了数据。 差错控制技术 自动请求重传Automatic Repeat Request （ARQ） 停等 ARQ

47、 每发送一帧就需要一个应答帧 只重传刚才出错的帧 Go-back-N ARQ 每发送N帧需要一个应答帧 需重传前面（N-i+1）帧（0iN） 选择重传 ARQ 每发送N帧需要一个应答帧 只重传出错的帧,125,差错控制编码：纠错码和检错码 在计算机通信中的纠错码- 海明码,126,127,128,129,11010101 与运算 and 10110110 10010100 11010101 或运算 or10110110 1111011 1 11010101 异或运算 xor10110110 01100011,130,131,132,133,134,检错码主要有两种编码方法： 奇偶校验（Pari

48、ty Checking） 可以在两个级别上实现： 在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。 例如：1100010增加偶校验位后为11100010 若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。 在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。 只能用于面向字符的通信协议中。 只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。,135,偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为偶数，如： 1 01000101 0 01000001 奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为奇数，如： 1 01100101 0 01100001,136,校验时，将读出的代码与1位校验位同时送入逻辑电路。 如若采用偶校验：则D7D6D5D4D3D2D1D0=0 ，表示数据正确（无奇数个错），若“偶校错”为1，表示数据有错（奇数个