Chapter2 - 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层的目的
- 启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。
- 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。
物理层涉及的四个特性
1. 机械特性
- 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
- 如：ISO 2110、ISO 2593、ISO 2597
1. 电气特性
- 在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
- 如：非平衡型、平衡型
1. 功能特性
- 某一电压表示何种含义。具体定义功能划分：数据、控制、定时和接地。
- 如：V.24、X.24
1. 过程特性
- 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系，即不同功能出现的顺序。
- 如：V.24EIA RS-232

2.2 数据通信的基础知识

一、数据通信系统的模型

信道（channel）一般表示向某一方向传送信息的介质
通信的目的是传送**消息(message)**，如话音、文字、图像等
消息的实体是数据(data)
**信号(signal)**是数据的电器的或电磁的表现。信号分为模拟信号和数字信号两大类。
在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元
- 码元速率： 单位时间内通过信道的码元个数，单位为波特（baud）
- 数据速率： 单位时间内通过信道的信息量（比特数），单位b/s或bps
- 注意：
  - 码元速率和数据速率是两个不同的概念。
  - 对于同一信道，当且仅当使用二进制编码时二者才相等。

重点 - 怎样形象地理解码元？

码元的定义：（来自百度百科）

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元，而这个间隔被称为码元长度。
值得注意的是当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个）时，此时码元为M进制码元。

通俗地解释：

现在有韩梅梅和小明明两个人需要通过数字系统来通信，韩梅梅要给小明明发送四个数字，分别是0、1、1、1，那么有很多种发送方式，如果用“二进制码元”发送，那么传输完这四个数字就要发送四个码元——0、1、1、1。故事结束了吗？还早呢。如果我的码元是四进制（M=4）的，那么我的码元就有四种情况——0、1、2、3，那我就可以用四种幅度不同的高低电平来发送这四种不同的码元。如果我们事先约定好，用码元0表示00组合，用码元1表示01组合。用码元2表示11组合，用3表示10组合，那么现在发送这四个数字就只需要分别发送码元1和码元2即可了，因为码元1表示01，码元2表示11，不过相比于M=2的二进制码元，这里一个码元携带了2个比特的信息。

进一步理解：

如上图所示，一个脉冲信号就是一个码元。因此，
- 二进制码元只有两种脉冲变化形式，那么比特率（数据速率） = 波特率（码元速率）。
- 四进制码元需要两个bit位表达所有内容，那么比特率（数据速率） = 2倍的波特率（码元速率）。
- 十六进制码元需四个bit位表达所有内容，那么比特率（数据速率） = 4倍的波特率（码元速率）。
小明给小红发送1314，二进制为1 11 1 100，显而易见，如果用二进制码元，只能一个个发，发7次。但如果用八进制码元，可携带3bit信息，发送四次就够了。001，011，001，100。

二、有关信号的几个基本概念

通信双方的交互方式
- 单向通信（单工通信，simplex）
  - 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
  - 如：广播
- 双向交替通信（半双工通信，half-duplex）
  - 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或接收
  - 如：对讲机
- 双向同时通信（全双工通信，duplex）
  - 通信的双方可以同时发送和接收信息
  - 如：电话
基带（baseband）信号和带通（band pass）信号
- 基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。
  - 计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
- 由于基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此必须对基带信号进行调制（Modulation）。
  - 比如某个文件中有一串连续的0，若用低电平表示0，则会出现直流成分。
- 带通信号 ：基带信号经过载波调制后，信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内即可通过信道）。
最基本的二元制调制方法：
- 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化
  - 幅度不变的情况下，认为是0；有振幅的情况下认为是1
- 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化
  - 0是一段频率，1是另外一段频率
- 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化
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。

三、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。
信道能够通过的频率范围
- 接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，即码间串扰
- 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
- 奈奎斯特(Nyquist)定理
  - 理想低通信道最大数据传输率 = $2H log_2V $ (bps)
  - H —- 信道带宽，V —- 信号电平的级数(信号的状态数)
  - 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
  - 解：
    - H = 3kHz
    - V = 4*4 = 16（四个相位，每个相位四种振幅，因而有16种状态）
    - 最大数据传输速率 = $23log_216$ = 24kbps
信噪比
- 信号的平均功率与噪声的平均功率之比，常记为S/N，以分贝(dB)作为计量单位
  - 信噪比 = $10log_{10}(S/N) (dB)$
  - 例：S/N=10时，信噪比为10dB；S/N=1000时，信噪比为30dB
- 信息论创始人香农（Shannon）推出了香农公式：
  - 信道的极限信息传输速率C可表达为：
    $C = Wlog_2(1+S/N) (b/s)$
    - W：信道带宽(单位：Hz)
    - S：信道内所传信号的平均功率
    - N：信道内部的高斯噪声功率
- 香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围

例题计算： 带宽3000Hz,信噪比为30dB,求最大数据传输率. dB=10lgS/N
注：分贝(dB)是一个无量纲的数值，用来衡量通信中的噪声的大小

解答：
由信噪比为 30dB 可知 lgS/N=3 -> S/N=1e3
所以 C = 3kHz * log2(1+S/N) 约等于 3kHz * 10 = 30kHZ = 30kbps
可以看出受到带宽的约束，传统的电话线已经被淘汰。

2.3 物理层面下的传输介质

传输介质：又称为传输媒体或传输媒介，指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路
传输媒体分为两大类
- 导引型传输介质
- 非导引型传输介质

一、导引型传输介质

双绞线（twisted pair）
- 通过将两根绝缘铜线绞合，减少相互干扰
- 分两类
  - 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
  - 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
- 在网络时代前即广泛应用于电话系统，传输距离较短
- 局域网布线系统常使用8芯非屏蔽双绞线
同轴电缆（coaxial cable）
- 内导体铜制芯线外包裹网状编织的屏蔽层
- 抗干扰能力和传输速率均高于双绞线，但造价较高，不便于大规模安装使用
- 广泛应用的同轴电缆分2类
  - 50$\omega$同轴电缆
  - 75$\omega$同轴电缆
光纤（fiber optics）
- 光纤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
- 光纤分为两类
  - 多模(multi-mode)光纤：多条不同入射角度的光线在一条光纤中传输，距离短，成本低
  - 单模(single-mode)光纤：光纤直径 = 光波波长，光纤成为波导，此时光线沿直线传播，不会反射
- 光纤通信的优点：
  - 通信容量大
  - 传输损耗小、距离长
  - 抗干扰能力强
  - 保密性好
  - 体积小、重量轻
- 广泛应用于长途干线传输、局域网/城域网的干线、高带宽且高可靠的网络连接(如服务器)

二、非导引型传输介质

非导引型传输介质指可传播无线电波的自由空间
主要分类
- 短波通信
  - 通过电离层反射，传输距离长，通信质量较差，传输速率低
- 微波通信及卫星通信
  - 微波频率范围：300MHz—300GHz
  - 频率大于100MHz的电磁波几乎按直线传播，可使用抛物面状天线将能量聚集成束，从而获得极高信噪比
  - 分为地面微波通信和卫星通信
地面微波通信
- 长距离传输时，每隔一定距离需建立中继站，进行接力转发
- 优点
  - 信道频段范围宽，容量大
  - 在无线通信中抗干扰能力较强
  - 与线缆通信相比，建设速度快、成本低
- 缺点
  - 相邻站需直视，易受地理或建筑物影响
  - 有时受气候影响(雷电、太阳黑子爆发等)
  - 隐蔽性和保密性较差
  - 中继站维护需消耗人力物力
关于无线频谱政策
- 多数无线频段由政府管理和分配，需获得许可才能使用
  - 电磁波在空间中传播时相互影响，且无线频段范围有限
- 预留了无需许可即可免费使用的频段，即ISM频段
  - 限制：发射功率 < 1Watt
  - 极大地促进了短距离无线通信的应用
  - 使用ISM频段的设备：WLAN、Bluetooth、无线鼠标、无绳电话、…
卫星通信
- 通过卫星进行微波信号转发
- 优点
  - 通信距离远、覆盖范围广
  - 通信容量较大
- 缺点
  - 传播时延较大，对于地球同步卫星单向时延达250—300ms
- 除地球同步卫星外，低轨道卫星在数据通信领域发展较快
其他无线通信手段：红外通信、激光通信
- 易受天气和可见光影响，通常用于近距离或室内通信

2.4 信道复用技术

一、频分复用

复用（multiplexing）就是在一个信道上传输多路信号
最基本的复用方法
- 频分多路复用（FDM—Frequency Division Multiplexing）
  - 不同用户占用不同的频带资源
  - 比如：广播，不同的电台占用不同的发射频率
- 时分多路复用(TDM—Time Division Multiplexing)
  - 将时间划分成一段段等长的时隙，每个用户使用不同的时隙
  - 便于数字传输

二、波分复用

波分复用实际上就是光的频分复用
专门用于光纤通信，由于光线中光载波频率很高，人们习惯于使用波长来表示光载波。

三、码分复用（CDM - Code Division Multiplexing）

这部分讲的很泛，不是很懂

更常用的名词是码分多址：CDMA–Code Division Multiple Access
用于无线通信
基本原理
- 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）；
- 每个站分配一个唯一的 m bit 码片序列，各站的码片序列必须互相正交（orthogonal）
  - 正交：两个向量规格化内积为0
- 使用扩频通信（Spread spectrum）方法，每 bit 转换成 m bit 码片
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声

2.5 数字传输系统

一、脉码调制系统（PCM - Pulse Code Modulation）

用于电话交换系统，在数字传输系统中进行多路话音的变换与传输
话音由模拟->数字的变换：对模拟话音按周期进行采样和A/D变换
- 采样频率8000次/秒，采样数据用8bit表示
- 话音数据速率：64kb/s
数字化的话音数据进行时分多路复用
- 欧洲体制 — 中国使用该体制
  - 每个时分复用帧包含32个时隙，其中2个用于同步和控制，30个用于传输话音数据，每个时隙8bit。即有帧长度：32 x 8 = 256 bit
  - 8000 x 256 bit = 2.048 Mb/s，称为E1，可传输30路话音数据。
- 北美体制
  - 每个时分复用帧包含24个时隙，每个时隙8bit，其中1bit用作信令，7bit用于话音数据，每帧1bit同步。即有帧长度：24 x 8 + 1 = 193 bit
  - 8000 x 193 bit = 1.544 Mb/s，称为T1，可传输24路话音数据。

二、同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH

用于高速干线传输，特别是光纤传输
1988年美国制定了SONET（Synchronous Optical Network）标准
- 同步传输，系统需要精确的主时钟
- 主要用于光纤传输
ITU-T以SONET为基础制定出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）
一般可认为SONET与SDH是同义词

2.6 宽带接入技术

“最后一英里（last mile）”
- 通常指通信运营商局端到家庭用户之间的本地回路
- 对此段线路进行数字化改造代价高昂，仍普遍采用模拟传输方式
xDSL技术在不改变“最后一英里”线路的前提下，通过改造现有的模拟电话用户线的传输方式，使其能够承载宽带业务。
xDSL的几种类型
- 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
- …
ADSL主要特点
- 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
- 把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
- 带宽非对称，即上行（用户->ISP）和下行（ISP->用户）带宽不同，适应家庭用户上网特点（多运行浏览、下载等应用）。
  - ISP（Internet Service Provider）
  - 上行，指上传；下行，指下载
  - 为下行分配更多的带宽。

二、HFC

Hybrid Fiber Coax光纤混合同轴网
以有线电视网CATV为基础的宽带接入技术
- 单向广播式传输 -> 双向传输
- 传输电视信号 —> 传输电视、话音、数据
- 以同轴电缆为主 -> 光纤 + 同轴电缆
主要特点
- 主干线路采用高光纤
- 采用节点体系结构
- 具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能
- 每个家庭要安装一个用户接口盒UIB（User Interface Box）
  - 提供三种连接：
    - 同轴电缆连接到机顶盒
    - 双绞线连接到用户的电话机
    - 电缆调制解调器连接到用户的计算机

HFC与ADSL都是利用家庭用户原有的线路，ADSL利用电话线，HFC利用电视线，都希望通过尽可能地改进“最后一英里”问题。

三、基于光纤的宽带接入：FTTx

基于光纤传输的宽带接入技术
- FTTH(Fiber To The Home)：光纤到户
- FTTB(Fiber To The Building)：光纤到大楼
- FTTC(Fiber To The Curb)：光纤到路边
目前用于光纤到户的技术
无源光网络PON - Passive Optical Network，目前有两种标准
- EPON（Ethernet Passive Optical Network）
  - 对应标准：IEEE802.3ah
- GPON（Gigabit-capable Passive Optical Network）
  - 对应标准：ITU-T G.984