计算机网络--第二章-物理层

计算机网络第2章物理层第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型2.2.2有关信道的几个基本概念2.2.3信道的极限容量2.2.4信道的极限信息传输速率2.3物理层下面的传输媒体2.3.1导向传输媒体2.3.2非导向传输媒体第2章物理层（续）2.4信道复用技术2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用2.4.2波分复用2.4.3码分复用2.5数字传输系统2.6宽带接入技术2.6.1xDSL技术2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）2.6.3FTTx技术2.1物理层的基本概念物理层标准规定了信号、连接器和电缆要求标准制定机构物理层的主要功能：确定与某通信系统连接的传输媒体、连接接口和信号位传输效能特性----服务与协议（标准）。机械特性指明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。电气特性指明连接线缆的各通信线上出现的信号类型及相关参数。（语法）功能特性指明某通信线上出现的某一信号状态的意义。（语义）过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。（同步、时序）物理层的PDU名称---位（Bits）2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机数据通信的概念术语数据：承载消息的实体（某种符号系统）。信号：数据的电气的或电磁的表现。模拟信号：信号参数的取值是连续的。数字信号：信号参数的取值是离散的。码元：承载数据的基本信号单位称为码元。用基于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。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示n位二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量。通信通道：发送点向接收点传输物理信号的物理通道。物理信道中信号的表示形式示例2.2.2信道的基本概念单向通信（单工通信）信道：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）信道：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）信道：通信的双方可以同时发送和接收信息。基带(baseband)信号和带通(bandpass)信号基带信号（即基本频带信号）——来自信源的原本信号。数字信号具有基带信号的特征。基带信号往往包含有较多的低频成分，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)。调制：用一种信号（基带信号）来控制（调）另一种信号（载波---便于在某种信道传输的信号）的定式变化（制）.带通信号（宽带信号）——用基带信号对载波调制后，把基带信号的（有效）频率范围搬移到一个较高的频率范围后的信号。该信号在规定的信号频段（信道）可与其它信号频段（信道）中的带通信号在同一媒体中传输。基带数字信号的几种最基本的调制方法调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。频移键控FSK（frequencyshiftkeying）调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。相移键控PSK（PhaseShiftKeying）基带数字信号ASK、FSK、PSK示例010011100基带信号1.调幅2.调频3.调相正交幅度调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)r(r,)可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。16种信号波形（码元）由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例：16QAM信号的星座图2.2.3信道的极限容量实际信道，在传输信号时因多种干扰而产生失真。码元传输的速率越高，信号传输的距离越远，信号波形的失真就越严重。实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形限制码元在信道上传输速率因素：（1）信道能够通过的频率范围1924年，奈奎斯特(Nyquist)的奈氏准则,给出了在理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值：C=2Hlog2(V)b/s,H:信道（低通滤波后的）带宽（以Hz为单位）V:信号码元的离散级别数表明：如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。限制码元在信道上传输速率因素：(2)信噪比信噪比=10log10（S/N)（dB）香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW：信道带宽；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。表明：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差错的传输。编码如信道频带宽度已确定的，信噪比不能再提高了，码元传输速率也达到了上限值，可用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。编码：在将比特表达到介质上之前，对它进行的比特分组、代码映射等编码处理，改善数据传输的效率。使用代码组的优点有：降低比特电平错误：编码考虑位同步。限制传输到介质中的效能：编码考虑DC平衡（平衡发送的1和0数量）。帮助甄别数据比特和控制比特：考虑数据和控制比特的编码（模式）区分。更有效地检测介质错误：利用无效编码模式检测错误编码示例：NRZ信号简单的信号方法（编码），适用于低速数据链路。不能有效使用带宽，且易受电磁干扰。没有可用于同步发送节点比特时间的跳变。连续传输长串0或1时，单个比特位之间的边界会模糊。接收节点在这种情况下，不能检测到介质上的电压跳变。编码示例：曼彻斯特编码曼彻斯特编码方案不是用简单的电压值来表示比特，而是用电压跳变来表示比特值电压跳变在每个比特时间的中间发生。这种跳变可确保接收节点的比特时间与发送节点的比特时间同步曼彻斯特编码效率低，是10BaseT以太网采用的信号方法。编码示例：4B/5B（信号模式组）2.3物理层下面的传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱2.3.1导向传输媒体信号传输受限于媒体（导体）路径双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP无屏蔽双绞线UTP图示屏蔽双绞线STP图示屏蔽双绞线电缆的典型应用双绞线线序常用双绞线绞合线类型带宽典型应用316MHz低速网络，模拟电话420MHz短距离的10BASE-T以太网5100MHz10BASE-T以太网，100快速以太网5E(超5类）100MHz100BASE-T快速以太网，1000BASE-T吉比特以太网6250MHz1000BASE-T吉比特以太网，ATM网络7600MHz可能用于10吉比特以太网以太网物理介质特性双绞线连接器正确的连接器端接同轴电缆编织线外导体/屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆连接器光纤介质常见的光纤连接器直通式光纤连接器(ST)（商标为AT&T）-一种很常见的刺刀型连接器，广泛用于多模光纤。用户连接器(SC)-一种使用推拉机制确保正面插入的连接器。此类连接器广泛用于单模光纤。朗讯连接器(LC)-一种广泛用于单模光纤且支持多模光纤的小型连接器。光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯特点：低损耗、高带宽、高抗扰、无辐射、体积小、重量轻光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射有三个红外区域的电磁波段在纤芯中传输由较低的衰减：0.85μm，1.30μm，1.55μm输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤与单模光纤规格综合（结构化）布线系统EIA/TIA-568（商用建筑物电信布线标准）GB50311-2007综合布线工程设计规范网络综合布线系统工程结构示意图电信间FD与电话交换配线方式电信间FD与计算机网络设备之间的连接方式综合布线系统的各个子系统机柜、信息插座、水平布线桥架：梯级式、槽式、托盘式布线设计例题-1已知某建筑物其中一楼层采用光纤到桌面的布线方案，该楼层共有40个光纤点，每个光纤信息点均布设一根室内2芯多模光纤至建筑物的设备间，请问设备间的机柜内应选用何种规格的IBDN光纤配线架？数量多少？需要订购多少个光纤耦合器？提示：IBDN光纤配线架的规格为12口、24口、48口。解答：根据题目得知共有40个光纤信息点，由于每个光纤信息点需要连接一根双芯光纤，因此设备间配备的光纤配线架应提供不少于80个接口，考虑网络以后的扩展，可以选用3个24口的光纤配线架和1个12口的光纤配线架。光纤配线架配备的耦合器数量与需要连接的光纤芯数相等，即为80个。布线设计例题-2已知某校园网分为三个片区，各片区机房需要布设一根24芯的单模光纤至网络中心机房，以构成校园网的光纤骨干网络。网管中心机房为管理好这些光缆应配备何种规格的光纤配线架？数量多少？光纤耦合器多少个？需要订购多少根光纤跳线？解答：（1）根据题目得知各片区的三根光纤合在一起总共有72根纤芯，因此网管中心的光纤配线架应提供不少于72个接口。（2）由以上接口数可知网管中心应配备24口的光纤配线架3个。（3）光纤配线架配备的耦合器数量与需要连接的光纤芯数相等，即为72个。（4）光纤跳线用于连接光纤配线架耦合器与交换机光纤接口，因此光纤跳线数量与耦合器数量相等，即为72根。2.3.2非导向传输媒体--无线媒体信号传输不像铜介质和光纤介质那样受限于媒体（导体）路径。信号形式：无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电频率、波长和速率fλ=c设：λ的单位是米，f的单位是MHz,可有fλ≈300例如：f=100MHz，λ≈3m另：f=c/λ,两边对λ求微分df/dλ=-c/λ2，用有限差分代替微分，且只看绝对值，有⊿f=c⊿λ/λ2设λ=1.3×10-6m，⊿λ=0.17×10-6m可得⊿f≈30THz，若编码率为8位/Hz,则数据传输速率=240Tbps无线介质的标准和类型IEEE802.11-通常也称为Wi-Fi，是一种无线LAN(WLAN)技术IEEE802.15-无线个域网(WPAN)标准，通常称为“蓝芽“。IEEE802.16-通常称为WiMAX（微波接入全球互通），提供无线带宽接入。全球移动通信系统(GSM)-包括可启用第2层通用分组无线业务(GPRS)协议的物理层规范，提供通过移动电话网