计算机网络-物理层

1. 物理层的基本概念

• 物理层解决的问题是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

• 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

• 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)

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物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性:接线器的形状、尺寸、引线数目等

• 电气特性:接口电缆的各条线上出现的电压范围

• 功能特性:某一电平的电压的意义

• 过程特性:不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.数据通信基础

2.1 数据通信模型

一个数据通信系统包括三大部分:源系统(发送端、发送方法)、传输系统(传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)

之所以需要调制解调器的原因是:数字比特流并不适合长距离传输，在超过100米的距离后，其传输将会失真，因此需要通过调制解调器将其转换为模拟信号

如果我们想要让其传得更远，还可以使用光纤线，使其承载光信号进行传输

• 网线传播的一般是数字信号
• 电话线传播的一般是模拟信号
• 光纤线传播的一般是光信号

2.2 数据通信的一些术语

• 信息(message):通信的目的是传输信息，如文字、图像等都是信息
• 数据(data):信息在传输之前需要进行编码，编码后的信息就变成了数据
• 信号(signal):数据在通信线路上传递需要变成电信号或者光信号

• 模拟信号:代表消息的参数的取值是连续的

• 数字信号:代表消息的参数的取值是离散的

• 码元:在使用域(或者简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

2.2 有关信道的基本概念

• 信道:一般用来表示某一个方向传送信息的媒体

上图描述了频分复用的基本模式，由于信道上发送的信号是不同频率的，而机器在接收这些信号的时候，会通过滤波器等物理设备对不同频率的信号进行过滤，因此可以保证最终可以得到目标数据

• 单向通信(单工通信):只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，比如说收音机或者广播电台

• 双向交替通信(半双工通信):通信的双方都可以发送信息，但是不能双方同时发送

• 双向同时通信(全双工通信):通信的双方可以同时发送和接收信息，比如说打电话

• 基带信号(基本频带信号):来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或者图像文件数据信号都属于基带信号

基带信号往往包含有较多的低频成分(震荡幅度低的)，甚至还有直流成分(低电平高地平交替出现的信号)，而许多信道并不能直接传输这些低频分量或者直流分量，因此必须对基带信号进行调制

带通信号:把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输

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调制分为两大类

• 基带调制:仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这种过程叫做编码
• 带通调制:使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输(即在一段频率范围内能够通过信道)
• 带通信号:经过载波调制后的信号

2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号的时候都会产生各种失真以及带来各种干扰。

码原的传输速率越高，或者信号传输的距离越远，或者传输媒体质量越差，在信道的输出段的波形的失真就会越严重，从概念上将，限制码元在信道上的传输速率的因素主要有以下两个

• 信道能够通过的频率范围
• 信噪比

噪声是存在于所有的电子设备和通信信道中的

噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误

但噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，并用分贝作为度量单位

$$信噪比(db) = 10log_{10}(S/N)(db)$$

信道的极限信息传输速率C可以表示为

$$C=Wlog_{2}(1+(S/N))(bit/s)$$

其中:W是信道的带宽，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率

带宽的计算就是用能够通过此信道的最高频率减去最低频率

• 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
• 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查错的传输
• 若信道带宽W或者信噪比S/N没有上限(当然实际信道不会这样)，则信道的极限信息传输速率C也就没有上限
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农公式计算出来的极限传输速率要低不少

对于频带宽度已经确定了的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元的传输速率也达到了上限值，可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

3. 物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称为传输介质或者传输媒介:它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路
• 传输媒体可分为两大类:也就是导引型传输媒体和非导引型传输媒体
• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或者光纤)传播
• 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常被称为无线传输

3.1 导向传输媒体

• 当同类设备相连时，为了确保其交换数据的次序，应该使用交叉线。

而对于交换机和路由器等设备，其线序是经过调整的，因此直接通过直通线即可

3.2 非引导型传输媒体

• 微波通信
• 短波通信

4. 信道复用技术

4.1 信道复用技术的基本原理

复用:就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号

当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量的时候，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。(这句话可以这么理解:当一条信道的容量足够大，而且能够满足多条小信道的传输带宽要求的时候，就可以将此信道进行复用，具体的复用技术后面讲解)

4.2 频分复用技术(FDM)

频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源进行数据的发送

4.3 时分复用技术(TDM)

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带

4.4 波分复用技术(WDM)

波分复用其实就是光的频分复用

• 根据频分复用的设计思想，可以在一根光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术

4.5 码分复用技术(CDM)

**码分复用(Code Division Multiplexing,CDM)**通常称为码分多址(Code Division Multiplexing Access,CDMA):它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术，CMDA的每个用户可以在相同的时间内使用相同的频带进行通信。

CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片(Chip)。m的取值通常为64或者128.

• CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列
  • 某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列
  • 某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码
• 假设为某个站指派的8比特码片序列为0101 1001

如果该站发送比特1:则发送自己的8比特码片序列0101 1001

如果该站发送比特0:则发送自己的8比特码片序列的反码1010 0110

如果我们将码片序列中的比特0记录为-1，而比特记录为1，那么就可以写出码片序列响应的码片向量

则该站的码片向量为:(-1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1)

• 如果有多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自发送一系列码片序列或者码片序列反码的叠加，为了从信道中分离出每个站的信号，那么就给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则:
  • 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列
  • 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为0

给A分配的8比特序列为0101 1001，给B分配的8比特序列为0011 0101

则站A的码片向量为(-1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1)

站B的码片向量为(-1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1)

将站A和站B各自的码片向量代入上式计算其内积为(-1*-1+....+-1*-1 = 0)

• 同时可以知道，任何站的码片向量与其他各站码片反码的向量的规格化内积为0
• 任何站的码片向量与自身的规格化内积为1
• 任何站的码片向量与自身码片向量的规格化内积为-1

其实对于叠加信号而言，可以看做是叠加的向量，根据向量运算的分配律，对于其他站的向量，规格化内积后的结果依然是0，不影响最终计算结果。

5. 宽带接入技术

• 铜线接入技术:电话线接入以太网
• 光纤同轴混合网(HFC):有线电视同轴电缆
• 光纤接入技术:专门为小区居民提供
• 移动互联网接入技术

5.1 铜线接入技术(xDSL)

铜线宽带接入技术也就是xDSL，(各种类型DSL(Digital Subscriber Line)数字用户线路的总称)，就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使得它能够承载宽带业务

ADSL属于DSL技术中的一种，它的全称是Asymmetric Digital Subscriber Line(非对称的数字用户线路)，亦可称为非对称数字用户环路。是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载带宽数字业务。

ADSL考虑了用户访问Internet的主要是获取网络资源，更多的下载流量，较少的上传流量，因此ADSL上行带宽和下行带宽设计为不对称。

上图的细节展示了如何使用频分复用技术来进行上行信道和下行信道的划分，同时还能打电话

5.2 同轴电缆接入技术(HFC)

5.3 光纤接入技术

从技术上讲，光纤到户FTTH(Fiber To The Home)应该是最好的选择，所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭，在用户的家中才把光信号转化为电信号，这样用户就可以得到更高的上网速率

根据光纤到用户的距离来分类，可以分为很多种FTTx

• FTTZ光纤到小区
• FTTC光纤到路边
• …

5.4 移动互联网接入技术