物理层

物理层概述

  物理层 的主要功能是提供透明 1 的比特流传输,它定义了比特作为信号在信道上发送时的相关的电气、时序、接口。我们主要关注以下4个特性:

  • 机械特性:接口的形状、尺寸、引脚、排列等
  • 电气特性:接口上的电压范围
  • 功能特性:某一电平所表示的意义
  • 规程特性:不同功能的各种可能事件出现的顺序(类似协议)

数据通信基础理论

  信号在传输的过程中,不可避免地会发生衰减,一般在 $0\sim f_c$ 频率范围内信号不会衰减,$f_c$ 称为 截止频率。频率范围不一定从0开始,可以是任两频率 $f_1 \sim f_2$ 之间。我们把这个宽度称为 带宽,或 物理带宽模拟带宽,单位为 Hz。

  与模拟带宽对应的是 数字带宽,指单位时间内流经的信息总量,单位为 bps。

  模拟带宽与数字带宽之间通过奈奎斯特定理联系:

离散等级指的是采样后,模数转换能得到多少种数字。比如,用 16 比特采样,那么离散等级为 $2^{16}$,做题时要注意

  但上面只是理想情况,实际还要考虑噪声的能量,即信噪比(SNR,Signal-to-Noise Ratio),考虑 SNR 后得到香农公式

  信噪比常用分贝来表示:$10\lg \frac{S}{N}$,做题时要注意换算。


补充:数字带宽有时候也叫信道容量、传输速率,指的是每秒可以通过的比特。后面我们还会学一个概率叫“来回时间”,指的是数据从 A 发到 B 再发回 A 的时间。这两个概念是完全不同的。我们可以把传输速率看作流量,把来回时间看作流速。

传输介质

  传输介质分为:

  • 引导性介质(有线)
    • 铜线
      • 双绞线
      • 同轴电缆
      • 电力线
    • 光纤
  • 非引导性传输介质(无线)
    • 无线电
    • 卫星

  我们主要关注的是传输介质的传输距离、带宽、延迟、成本、安装与维护的难易程度。下面来具体讨论。

引导性传输介质

同轴电缆 Coaxial Cable

  • 组成(由内到外):铜芯、绝缘材料、编织外层导体、保护塑料外套
  • 分类:
    • 按屏蔽层分:
      • 铜:基带同轴电缆50Ω,用于数字传输
      • 铝:宽带同轴电缆75Ω,用于模拟传输
    • 按粗细分:
      • 粗缆:最大传输距离 500 米,两端安装终结器,以保证电缆屏蔽层接地
      • 细缆:最大传输距离 185 米,两头安装BNC头,接在T型连接器两端
  • 特点:
    • 同轴电缆的结构使其具有高带宽与很好的抗噪性
  • 用途:有线电视、城域网

双绞线 Twist Pair Cable

  • 组成:由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度,逆时针方向绞合而成。
  • 分类:(后面会有更详细的介绍)
    • 非屏蔽双绞线(UTP,Unshielded Twisted Pair):无屏蔽层,百兆带宽,传输距离百米,用于局域网。
    • 屏蔽双绞线(STP,Shielded Twisted Pair):每对线外、所有线外有屏蔽层
    • 网屏式双绞线(ScTP:Screened Twisted Pair):所有线外有屏蔽层
  • 特点:
    • 通过绞合消除了串扰 Crosstalk,而且绞距越小越均匀,抵消效果越好

光纤 Optical fibre

  • 组成:玻璃芯、玻璃覆盖层、塑料封套
  • 分类:
    • 单模光纤:只允许一个方向的光通过,传输距离更远,带宽更大
    • 多模光纤:可容许不同模式的光于一根光纤上传输
  • 特点:
    • 优点:优点:重量轻、损耗低、不受电磁辐射干扰、传输频带宽、通信容量大、防窃听
    • 缺点:昂贵、易断裂

无引导性介质

根据电磁波的频谱来划分。

无线电

微波

红外

卫星

数字调制

将比特转换为物理信号的过程称为 数字调制(digital modulation),根据物理信号所占的频率可分为:

  • 基带传输:占据从0到最高频的频率
  • 通带传输:占据以载波为中心的一段频率

波特率(符号率、采样率):每秒钟信号变化的次数

比特率(位传输率、数据传输速率)与波特率的关系:

其中:C:比特率; B:波特率; n:调制电平数或线路的状态数,一般为2的整数倍(P99,有例外)。

基带传输

  最简单的方式就是用正电压表示 1,负电压表示 0,这种编码方案称为 不归零编码(NRZ, Non-Return-to-Zero),根据奈奎斯特定理,至少要 $B/2$ Hz 带宽才能获得 $B$ bps 的比特率。要提高比特率,可以提高带宽,或增加信号等级。NRZ 需要时钟来确定一个符号的开始与结束的位置(否则当有一长串0或1时,可能会漏比特)。

  为了节省时钟线,可以采用 曼彻斯特编码(Manchester):将时钟与电压进行异或,当从低到高跳变表示 0,从高到低跳变表示 1. 但由于存在时钟,需要 NRZ 两倍的带宽。

  实际上我们并不需要全部的时钟,我们只需要某些“标识”用于对齐即可。于是就有了 不归零跳转(NRZI, Non-Return-to-Zero):信号跳变定为 1,信号不变定为 0。这样就能解决 1 的对齐问题。

  但 NRZI 在一大串 0 时依然有问题,于是又有了 4B/5B编码:将 4 个比特映射到 5 个比特上,避免出现连续的 3 个 0。映射方法见下表。这种编码增加了 25% 的带宽开销,但至少比曼彻斯特编码好。

通带传输

我们可以利用载波信号的幅度、频率、振幅来调制,也就是:

  • 幅移键控(ASK):利用信号的振幅表示 0 和 1
  • 频移键控(FSK):利用信号的频率表示 0 和 1
  • 相移键控(PSK):利用信号的相位表示 0 和 1

  我们可以同时利用多个相位来进行调制。上图中只用到了 0° 和 180°,故称为 二进制相移键控(BPSK);如果利用 45°、135°、225°、315°,则称为 正交相移键控(QPSK)

  进一步的,我们可以同时用三者中的两个来进行调制。一般常用的是相位和幅度,称为 正交调幅(QAM, Quadrature Amplitude)。可以用星座图来表示,图中每个点是一个符号,点到原点的距离为幅度,与 x 轴正半轴的夹角为相位。比如下图中的 QAM-16,QAM-64。为了减小错误率,常采用格雷码对每个点进行编号(这样即使错误地采到了旁边的点也只是有一位错误)。

Modulation_LTE1

为了降低高速调制错误,在每个样本中采用一些额外的位用作纠错,剩下的位才用来传输数据,这种机制叫格子架编码调制TCM (Trellis Coded Modulation).,比如:

  • 在 V.32调制标准中,波特率是2400,采用了QAM-32,每码元传输5个比特,但其中的1个比特用来做奇偶校验,所以,数据传输率只有9600bps。
  • 在 V.32bis标准中,采用了QAM-128(27),传输速率达14,400 bps ,有一个比特用来纠错。

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多路复用

  一条线路的带宽是很大的,如果只用于传输一个信号就会很浪费,所以一般会传输多个信号。这就叫 多路复用。常见的复用方法有:

  • 频分复用(FDM):不同信号在不同频段上,后来发展成了 OFDM(正交FDM)。
  • 波分多路复用(WDM):本质跟 FDM一样,在光纤上复用信号
  • 时分复用(TDM):每个信号周期性地获得整个带宽一小段时间,后来发展成了 STDM (统计时分多路复用)
  • 码分复用(CDM 或 CDMA):每个信号可以用整个频段发送信号,且无时间限制,但信号必须遵循一定规则

  码分复用是最有趣的,每个信号都有一个特定的 码片序列,如果要发送 1,则发送码片序列;0 则发送码片序列的反码。比如有 4 个信号,每个信号有一个 4位码片序列:

  • $A:+1+1+1+1$
  • $B:+1+1-1-1$
  • $C:+1-1+1-1$
  • $D:+1-1-1+1$

  这 4 个序列两两正交,比如:$A\cdot B=0$。信号同时发送时,进行线性叠加:$A+\overline{B}+C=+1-1+3+1$。接收方只需要乘以对应的码片序列,就能解码出信号:$A\cdot(A+\overline{B}+C)=4$,$B\cdot(A+\overline{B}+C)=-4$,$C\cdot(A+\overline{B}+C)=4$

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物理层部件和设备

  • 被动部件/设备:
    • 接线板(patch panel )
    • 插头(plug)
    • 插座 (jack)
    • 电缆 (f.g. CAT-5)
  • 主动部件/设备:
    • 转发器(transceiver):将一种形式的信号转变成另一种形式
    • 中继器 (repeater):再生信号,让线缆可以延伸得更远,不能过滤流量
    • 集线器 (hub):多端口的中继器,用于放大和再生信号,作为星型拓扑的中心,允许很多设备连接到一个集线器上

冲突域:数据包产生和冲突的网络区域,即指共享媒质区。hub 和 repeater 都会使得冲突域扩大,要减小冲突域,要使用 Bridge、LAN Switch、Router。

PSTN

  拨号上网使用的网络就是:公共交换电话网络(PSTN: Public Switched Telephone Network ),它的主要构成及技术有:

  • 本地回路(连接端局到家庭的模拟线路):调制技术,数模/模数转换。完成这个工作的机器称为调制解调器(Modem),俗称猫
  • 干线(连接交换局的数字光纤):复用技术
  • 交换局(包括端局,话音接驳干线的场所):

PSDN 的最高速率受制于调制解调器,最高为 56kbps (V.90 标准). 因为电话线路的带宽为 4kHz,采样率为 8kHz,每个码元传输 8bit,其中一个 bit 用于控制错误,故传输速率为 8k*7=56kbps,毛速率为 64kbps

之所以有 4kHz 的带宽限制,是因为有个滤波器,如果取消这个滤波器,就能使用全部 1.1 MHz,这种称为 xDSL,是各种类型DSL(Digital Subscribe Line,数字用户线路)的总称,包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等。

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宽带服务 在 xDSL 上采用了 G.dmt 标准,允许 8MHz 下行带宽和 1MHz 上行带宽。由于两个带宽不对称,所以称为 ADSL(非对称用户数字线)其中,1 Mhz 带宽分为了 256 个 4k 信道,第一个 4k 信道依然用于电话服务,第二到六信道空闲,后面的信道用于上、下行控制以及数据传输。

现在将电话线换成了光纤,即光纤到户,速度也进一步提高


干线一般用的是光纤。因为光纤中传输的是光脉冲(0和1),所以需要用编解码器(codec)将模拟信号转换为数字信号。

codec 使用了 PCM(Pulse-code modulation),脉冲编码调制 技术,简单来说就是抽样、量化、编码。经过 PCM 后,再用 TDM 复用技术来发数据。这里有两个标准(计算方法见PPT):

  • T1 的速率是1.544Mbit/s
    • T1 线路可处理24路信号的复用: 24 x 8 = 192 bits + 1 bit for framing = 193 bits/frame
    • 话音信道的采样率是每秒8000次 ,那么传递TDM复用帧的时间间隔需要 1/8000 sec = 125微秒
    • 所以,T1 线路的传输速率是: 193 bits / 0.000125 seconds = 1.544 Mbps
  • E1 的速率是2.048Mbit/s
    • E1可处理 32条语音的复用 :32 x 8 =256bits/frame
    • 话音信道的采样率是每秒8000次 ,那么传递TDM复用帧的时间间隔需要 1/8000 sec = 125微秒
    • 所以,T1 线路的传输速率是: 256 bits /0.000125 seconds = 2.048 Mbps

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除了简单的 TDM 外,还有一种复杂的 TDM 叫 SONET/SDH(同步光网络),它的基本帧结构是这样的:

  • 9(行) x 90(列) = 810字节(注意单位!! 1byte=8bits)
  • 头3列 用于系统管理信息
  • 其余的87 列包括用户数据,即同步载荷封包 SPE(Synchronous Payload Envelope),其中的第1列又用于路径开销。

有效数据(装在 SPE,同步有效载荷信封 中)可以从帧的任何一个地方开始,甚至可以跨帧(见下图)

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因为传输是同步的(通过帧的前两个字节同步),所以即使没有数据也要发空帧。帧的发送速率为 8000 帧/s,故速率为:

  • 总传输速率:8×810×8000==51.84 Mbps
  • SPE 速率为 8×9×87×8000=50.112 Mbps
  • 用户数据:8×9×86×8000=49.536 Mbps

以上是基本的 SONET,称为 STS-1 或 OC-1。随着传输速率提高,可以进一步复用。若 n 条复用,则称为 STS-n 或 OC-n,响应的传输速率就提高 n 倍。

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如果后面加上 C,如 OC-12C,就表示复用的信号来自同一个源,因此,只需要一个路径开销,即:段开销和线路开销有12x3列,路径开销仅有 1 列,用户数据总共是 1080-36-1=1043 列,所以用户数据是: 1043x9x8x8000=600.768Mbps


交换局中有两种交换方式:

  • 电路交换
    1. 建立一条端到端的通路(真实的电路连接)
    2. 传数据
    3. 拆除连接
  • 分组交换/包交换:
    1. 每个分组/包大小有限制,可以存在交换局
    2. 每个分组/包携带目的地址、信息,独立寻径。
    3. 乱序到达

对比如下:

  电路交换 包交换
是否要提前设置
每个包的路径 相同 不同
包到达的次序 顺序 乱序
带宽 固定,提前分配 动态
带宽浪费
容错能力(抗毁性)
计费 按时间 按流量
  1. 透明:实现方式对上层不可见。