物理层

物理层

作用

  • 尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层只需完成本层协议和服务

  • 完成传输方式的转换

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概念

  • 通信的目的是传送消息（message） ，数据（data） 是运送消息的实体，信号（signal） 是数据的电气或电磁表现
  • ​码元： 代表数字信号不同离散数值的基本波形
  • 波特率 ：表示每秒钟传送的码元符号的个数 单位：B
  • 基带信号：来自信源的信号
  • 带通信号：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输
  • 频率=光速/波长

  • 信道信号：
    • 窄带信号
    • 宽带信号

物理层的主要功能：定义特性

  • 机械特性：指明接口所用的接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

  • 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围

  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序

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数据通信模型

  • 源系统：

    • 原点/源站/信源：原点设备产生要传输的数据
    • 发送器（典型的发送器就是调制器）：通常原点生成的数字比特流通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输

  • 传输系统：可以是简单的传输线，也可以使复杂的网络系统

  • 目的系统：

    • 接收器：接收传输系统传过来的信号，并将其转化为能被目的设备处理的信息
    • 终点/目的站/信宿：从接收器中获取传送过来的数字比特流，然后把信息输出

传输介质

  • 导向：

    • 双绞线：两根互相绝缘的铜导线绞合（减少相邻导线对电磁的干扰）

      • STP屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair）

      • UTP无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair） 局域网中最常见

        10BASE-T对应IEEE802.3

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    • 同轴电缆：

      • 50Ω同轴电缆：LAN/数字传输常用

      • 75Ω同轴电缆：有线电视/模拟传输常用

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    • 光纤：

      • 单模光纤：光纤的直径减小到只有一个光的波长，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射

        光源：定向性很好的激光二极管

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      • 多模光纤：存在多条不同入射角度的光线在一条光纤中传输（只适合近距离传输 ）

        光源：发光二极管

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        优点 ：

        1. 通信容量非常大
        2. 传输损耗小
        3. 抗雷电、电磁干扰性能好
        4. 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
        5. 体积小，重量轻

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        • 光纤分布数据接口FDDI：采用双环体系结构，两环上的信息反向流动， 双环中一环称谓主环，另一环称谓次环，正常情况下，主环传输数据，次环处于空闲状态，双环设计可以提高可靠性和稳定性

  • 架空明线（铜线/铁线）：安装简单，通信质量差，受气候环境等影响较大，许多国家已停止铺设

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  • 非导向：

    • 无线电波：所有方向传播，穿透能力强

    • 微波（固定方向传播 ）：

      • 地面微波接力通信：

        优点：

        • 通信信道容量大

        • 传输质量高

        • 投资少，见效快，易于跨越山区江河

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        缺点：

        • 相邻站之间必须直视，不能有障碍物

        • 受天气影响

        • 与电缆相比，隐蔽性与保密性较差

        • 大量中继器的使用及维护需消耗较多人力物力

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      • 卫星通信：

        • 优缺点同上
        • 通信距离远
        • 具有较大传播时延
        • 覆盖范围广，适合广播通信
        • 保密性和抗干扰性不强，容易被截获或修改

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    • 红外、激光（固定方向传播）：要把传输的信号分别转换成各自信号格式

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设备

满足5-4-3-2-1规则 ：

  • 5个网段

  • 4个中继器/集线器

  • 3个网段为主机端

  • 2个网段为连接端

  • 1个冲突域

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  • 中继器：

    • 再生数字信号

    • 两端是网段，不是子网

    • 适用于两个完全相同的网络互连，且两个网段的速率要相同 （不能存储转发）

    • 两端可以连接相同或不同媒体

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  • 集线器（Hub） （多口中继器）：

    • 转发到除输入端口外的其他所有端口

    • 集线器上平分带宽

    • 共享式设备，不具备信号定向传送能力

    • 分为共享型和交换型 （交换式局域网是用交换机代替了集线器）

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通信方式

  • 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（一条信道），如：电视广播

  • 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可以发送消息，但不能同时发送或接受（两条信道），如：对讲机

  • 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收消息（两条信道），如：电话

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数据传输方式

  • 串行 传输：数据在通信线路（传输媒体）上传输一般采用串行传输（低位->高位）

  • 并行 传输：数据在计算机内部多采用并行传输

网卡和局域网之间以串行传输方式进行，而网卡和计算机之间是并行传输，因此网卡的一个重要功能就是进行串行/并行转换


  • 同步 传输：
    • 数据传送以一个数据区块为单位 ，需先送出一个或多个同步字符（SYN） ，再送出整批数据
    • 通信双方必须先建立同步，使双方的时钟调整到同意频率
    • 全网同步 ：用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步
    • 准同步 ：各结点的时钟之间可以允许有微小误差，然后采取其他措施实现同步传输（接收端从收到的比特流中提取同步的时钟信息）
    • PCM的时分复用采用同步通信

  • 异步 传输：

    • 将比特分成小组 传送，传送数据时，加一个字符起始位与终止位
    • 发送端可以在任意时间发送一个帧，而帧与帧之间的时间间隔也可以是任意的 ，接收端必须时刻做好接收准备
    • 好处：通信设备简单便宜、但传输效率较低（因为开始位和停止位开销占比较大）
    • 不要求发送端对帧的每一个字符都必须加上开始位和停止位后再发送出去
    • 接收端必须和数据帧中各个比特进行比特同步（异步通信中的同步问题）

    • 异步传输模式ATM（AsynchronousTransferMode） ：又称信元交换

      • ATM采用面向连接的快速分组交换，通过建立虚电路进行数据传输
      • 采用STDM
      • 每个信元长53B，其中报头占5B
      • 信头长度小，时延小，实时性较好

    • 同步与异步传输的区别 ：

      • 异步传输面向字符，同步传输面向比特
      • 异步传输单位是字符，同步传输单位是帧
      • 异步传输对时序要求较低
      • 同步传输若未收到确认则一直等待，调用传输的函数不返回

编码与调制

编码：

  • 数字信号——数字信号：（集线器）

  • 模拟信号——数字信号：PCM脉冲编码调制（Pulse-code modulation） （解调）：

    ​ 抽样、量化、编码


两种数字传输系统 ：来源

  • T1:
    • T1载波支持的数据传输速率为1.544Mbps
    • T1线路实际上是由24 个单独的通道组成的，每个通道支持64Kbps传输速度 ,其中数据速率为56Kb/s
    • 当T1系统用于模拟传输时，多路复用24路话音信道，每条话音信道输出：7bit数据+1bit控制复用
    • 当T1系统完全用于数字传输时，仅23条信道用于数据传输，第24条信道用于同步模式
    • T1载波开销所占比例为12.95%
    • T1是4线电路，两条线用于发送，两条线用于接收

  • E1（我国）:
    • E1载波是一种2.048Mbps速率的PCM载波
    • 采用同步时分复用技术将30个话音信道（64K）和２个控制信道（16K）复合在一条2.048Mb/s的高速信道上
    • 在路由器上的E1是不能划分时隙的，只能做2M线使用
    • 每个通道支持 的传输速度（或数据速率）为64Kb/s
    • E1开销所占比例为6.25%

PCM缺点：

  • 速率标准不统一
  • 不是同步传输 ：各国数字网主要采用准同步方式，当数据传输率很高时，收发双方时钟难同步成为很大问题

​ 推出同步光纤网SONET （Synchronous Optical Network）STS-1/OC-1 51.84Mbit/s

​ 同步数字系列SDH （Synchronous Digital Hierarchy） STM-1 155Mbit/s = STS-3/OC-3


常用编码方式：

  • 不归零制：高1低0 无法判断开始结束，收发难保持同步
  • 归零制
  • 反向不归零：0翻转 1不变
  • 曼彻斯特：（以太网）自同步 频率带宽是原始带宽的两倍 数据传输速率只有调制速率的1/2
  • 差分曼彻斯特：（局域网）0翻转 1不变

调制：

  • 数字信号——模拟信号：带通调制 ：
    • AM 调幅
    • FM 调频
    • PM 调相
    • QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交振幅调制（A+P）
  • 模拟信号——模拟信号：（放大器）

奈氏准则

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限

限制了码元传输速率

规定极限码元传输速率为2W（Baud） 其中W为信道带宽（HZ）

理想条件下，极限数据传输率=2Wlog2V (b/s) 其中V表示离散电平数目


香农定理

噪声：

  • 热噪声（信道固有 ）无法消除
  • 冲击噪声（外界特定短暂原因所造成）传输中的主要差错

信噪比（dB）=10log10 （S/N）（dB）

C =W log 2 (1+S/N)

限制了极限信息传输速率


意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输

求最大数据率时，若没给信噪比则使用奈氏准则，若给了信噪比则需要使用奈氏准则和香农定理比较出数据率的最小值


信道复用技术（复用器与分用器成对使用）

  • 频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）：同样的时间占用不同的带宽资源（主要用于模拟信号传输 ）

    ​

  • 时分复用TDM（Time Division Multiplexing）：不同时间占用同样频带宽度（适合用于数字信号传输 ）

    • STDM统计时分复用（Statistic TDM）/异步时分复用 ：
      • 不固定分配时隙，按需动态分配时隙
      • 每个时隙还必须有用户的地址信息
      • 交换机使用的是STDM
    • 同步时分复用：普通的时分复用,每个用户所占的时隙是周期性出现 ，

  • 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）：光的频分复用

    • DWDM(Dense WDM) 密集波分复用:现在可以把几十路甚至一百多路的光载波信号
      复用到一根光纤中来传输
    • CWDM(Coarse WDM)稀疏波分复用:在同一根光纤上只能复用 5-6 右的光波，它使用的器件的成本较低 ，不需要使用精细滤波器、冷却激光器等设备，适合短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，例如 个大楼内或大楼之间的网络通信

    密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）：在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号


  • 码分复用CDM（Code Division Multiplexing）

    码分多址CDMA（Code Division Multiplexing Access）：有很强的抗干扰能力，频谱类似白噪声不易被发现 ，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率

    ​

    CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列（chip sequence），如果要发送比特1 ，则发送自己的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 （扩频）

​ 码片序列必须各不相同且相互正交


  1. 两个不同站的码片序列正交规格化内积都是0
  2. 任何一个码片向量与该码片向量自己的规格化内积都是 1
  3. 一个码片向量和该码片反码的向量规格化内积都是-1

例：在一个CDMA移动通信系统中，A、B、C站分配的地址码分别为(-1-1-1+1+1-1+1+1) 、(-1-1+1-1+1+1+1-1)和(-1+1-1+1+1+1-1-1)，某一时刻A发送数据位0，B发送数据1，C未发送，则接收C站信息的接收者收到的信号是_

A (0 0 +2 -2 0 +2 0 -2)

B (0 +2 +2 -2 0 +2 0 -2)

C (+2 0 +2 -2 0 +2 0 -2)

D (0 0 +2 -2 0 +2 0 0)

解：A发送数据位0，所以A送出的是地址码的非（+1 +1 +1-1-1 +1-1-1) ；

B发送数据位0，所以B送出的是地址码(-1-1+1-1+1+1+1-1) ;

C未发送数据，所以C没有送出任何信息。

接收C站信息的接收者收到的信号应该是双极性信号线性相加的结果，所以将A地址码的非和B的地址码线性相加，即(+1+1+1-1-1+1-1-1)+( -1-1 +1-1+1+1+1-1)=(0 0 +2 -2 0 +2 0 -2)


例：站点A、B、C通过CDMA共享链路，A、B、C的码片序列（chipping sequence）分别是（1,1,1,1）、（1，-1,1，-1）和（1，1,-1，-1），若C从链路上收到的序列是（2,0,2,0,0，-2,0，-2,0,2,0,2），则C收到A发送的数据是 （）

A.000                                        B.101                                        C.110                                       D.111

解：C接收到的是A，B发送过来的叠加码片，C想要看A发送的数据，就将接收到的叠加码片与A的码片序列进行规格化内积操作：（2，0，2，0；0，-2，0，-2；0，2，0，2）每四位与（1，1，1，1）进行规格化内积，（21+01+21+01)/4=1;

（01+-21+01+-21)/4=-1，-1即0;

（01+21+01+21)/4=1;

可以得到结果101


例：共有四个站进行码分多址 CDMA 通信 四个站的码片序列为：A: (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B:(-1-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) C: (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) D: (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) 现收到这样的码片序列： (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1) 。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是1还是0?

解：
A站的内积： (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)• (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) / 8
= (+1 -1 +3 +1 -1 +3 +1 +1) / 8 = 1
B站的内积： (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)• (-1-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) / 8
=(+1 -1 -3 -1 -1 -3 +1 -1) / 8=-1
C站的内积： (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)• (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) / 8
=(+1 +1 +3 +1 -1 -3 -1 -1)/8=0
D站的内积： (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)• (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) / 8
= (+1 +1 +3 -1 +1 +3 +1 -1) / 8 = 1
因此，A和D发送1,B发送0, C未发送数据。

posted @ 2022-08-17 16:03  原语  阅读(442)  评论(0)  编辑  收藏  举报