第二章 物理層本章內容物理層的功能和作用通信原理相關內容回顧簡單介紹三種傳輸介質：有導向（銅線和光纖）、無線信道和衛(wèi)星信道討論三個通信系統(tǒng)：固定電話系統(tǒng)、移動電話系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng)三網的骨干網均使用光纖，但組織方式不同，并在“最后一英里（lastmile）”采用不同的技術。功能與作用物理層將原始的比特流從一臺機器傳輸到另外一臺機器。物理層處于網絡模型的最底層，它定義了機械、電氣和時序的接口。機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。2.1通信原理部分內容回顧通信系統(tǒng)模型基本術語信道與信號信道對信號傳輸的影響兩個定理數字通信系統(tǒng)的模型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機基本術語信息（information）：消息的內容/內涵。消息/數據（message/data）：信息的載體。模擬消息：連續(xù)變化，溫度、語音等。數字消息：離散變化，整數，漢字等。信號（signal）：消息的電氣/電磁形式。模擬(analogous)信號——代表消息的參數的取值是連續(xù)的。數字(digital)信號——代表消息的參數的取值是離散的。信源：產生和發(fā)生消息的設備。信宿：接收和處理消息的設備。信道：信源和信宿之間的通信線路。模擬信道：采用模擬信號傳輸消息的信道。數字信道：采用數字信號傳輸消息的信道。某個信號具有的頻帶寬度（集中了信號絕大多數能量），單位Hz。語音信號：300Hz~3400Hz信號帶寬信道帶寬信道只能允許一定頻帶范圍的信號通過，在其它頻率范圍內的信號，信道的衰減非常大。傳輸過程中振幅不會明顯減弱的頻率范圍稱為信道帶寬，通常是指從0到某一個能保留一半能量的頻率處。信道帶寬是信道的物理屬性，取決于材料、厚度和長度。信道對信號傳輸的影響信道引入的傳輸損傷衰減（attenuation）：所有的傳輸設施在傳輸過程中都會損失一些能量。傳輸設施對不同頻率分量衰減不同時延（transmissiondelay）：不同頻率分量在信道中產生的時延不同噪聲（noise）：信道噪聲、外部噪聲信道的帶寬受限對信號的影響信道引入的傳輸損傷有失真，但是能辨別失真過大，無法辨別實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形信道模型信道可以被看做是一個“濾波器”低通帶通為分析方便，可認為信道在其帶寬內對信號的幅度增益為常數，帶寬外幅度增益為0理想信道：無任何噪聲例：理想信道帶寬對信號傳輸的影響原始信號的頻譜帶寬=128Hz帶寬=64Hz帶寬=16Hz結論：當信號通過一個低通濾波器后，信號的高頻分量被濾除，對于輸出信號而言，損失了原始信號的高頻分量（頻域），表現為信號被“展寬”（時域）低通濾波器的帶寬越大，通過的高頻分量就越多，輸出信號被“展寬”的程度就越低，就越接近于原始信號?！罢箤挕焙蟮男盘?，會相互影響，影響輸出端的判決。信道帶寬對信號的影響碼間串擾：相鄰數字信號（碼元）波形在時間上相互重疊，影響接收端對碼元的判決（即識別）。給定碼元間距，信道的帶寬越大，碼間串擾的程度越低。即信道帶寬存在下限。給定信道帶寬，碼元速率會受到限制，以避免在輸出端“展寬”后的信號間相互干擾。在給定帶寬的信道中，碼元傳輸的速率存在上限，即信道的極限容量。奈奎斯特準則1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。理想信道的最大數據傳輸速率奈奎斯特定理：若某信號通過一個理想的無噪聲、帶寬為H（Hz）的低通濾波器，信道極限容量為

若信號包含了V個離散級數（即一個碼元代表log2V比特）無噪聲3kHz信道，其最大碼元（符號）傳輸速率為6000波特。碼元傳輸速率(波特，symbol/s)與數據傳輸速率(bps)的區(qū)別。實際信道比理想信道糟多了任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。有噪信道條件下最大數據傳輸速率1948年，香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。香農定理：帶寬為H（Hz）、信噪比為S/N的有噪聲信道，其最大數據傳輸速率（信道容量）C為：信噪比表示，分貝：10lg(S/N)，dB帶寬3kHz，信噪比30dB，則最大信息傳輸速率不超過30Kbps。N=0或者S=，則C=若想使信道容量增大，則可通過減小噪聲N或者增加信號功率S來實現。H時，C1.44S/n0，N=Hn0；保持S/n0一定，信道帶寬無限增加并不能使信道容量無限增加，因為噪聲功率也趨于無窮大。香農定理的討論只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低。香農定理指出傳輸媒體傳輸媒體：數據傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。有導向傳輸媒體：電磁波被導向沿著固體媒體（銅線or光纖）傳播。非導向傳輸媒體：即自由空間，通常稱在非導向傳輸媒體中電磁波的傳輸為無線傳輸。2.2有導向的傳輸介質每種傳輸介質都有自己的特性帶寬遲延造價安裝和維護的難易程度常用的有線傳輸介質雙絞線同軸電纜光纖2.2.1磁介質高帶寬低成本極高的時延2.2.2雙絞線雙絞線（twistedpair）：兩根絕緣銅線以螺旋狀的形式絞在一起，以減少電線輻射。線徑大約1mm。幾乎所有的電話都是通過雙絞線連接到交換局雙絞線可以延伸幾公里而不需要放大。雙絞線可以傳輸模擬信號和數字信號。其帶寬取決于銅線的直徑和傳輸距離：幾公里的傳輸距離內可達幾Mbps。銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STPUTP（UnshieldedTwistedPair，無屏蔽雙絞線）3類（category3）雙絞線，16MHz5類（category5）雙絞線，100MHz常用雙絞線雙絞線類型帶寬典型應用316MHz低速網絡，模擬電話420MHz短距離10Base-T以太網5100MHz10Base-T以太網，100Base-T快速以太網E5100MHz100Base-T快速以太網，1000Base-T吉比特以太網6250MHz1000Base-T吉比特以太網，ATM7600MHz10吉比特以太網雙絞線（TwistedPair）雙絞線RJ-45連接器RJ-11連接器交叉線vs.平行線交叉線（crossing-line）：對等線兩端的網線序交叉。兩臺計算機通過網線直接連接或者兩個Hub和uplink口相連。平行線（parallelline）：對等線兩端的網線序相同。用來連接電腦和交換機。交叉線

1<------------>3

2<------------>6

3<------------>1

6<------------>2平行線

1<------------>1

2<------------>2

3<------------>3

6<------------>6

配線架與卡線刀雙絞線的主要特點結構簡單，容易安裝，UTP較便宜傳輸速率較高信號隨距離衰減較大，傳輸距離受限有輻射，容易被竊聽主要應用場合室內網絡終端或工作站的連接（LAN）實現星型或總線型的網絡結構2.2.3同軸電纜Coaxialcable,coax比雙絞線有更好的屏蔽性，更好的抗噪性能兩種：50歐姆細纜，數字傳輸；75歐姆粗纜，模擬傳輸和有線電視，廣泛使用。高帶寬，可以達到1GHz；傳輸距離長廣泛的使用于有線電視和城域網中同軸電纜卡銷式BNC連接器T型頭同軸電纜的特點頻帶較寬，損耗較低，傳輸距離較遠輻射低，保密性好，抗干擾能力強可以實現多路復用傳輸主要應用場合：計算機聯(lián)網時，室內用細纜，室外用粗纜應用于多路復用傳輸和各種拓撲結構2.2.4光纖（FiberOptics）光纖傳輸原理：折射與反射折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射光纖的分類多模光纖：不同的光束以不同模式（不同的反射角）傳播。單模光纖：光纖直徑減至幾個波長大小時，光在光纖內直線傳播。隨著廣泛使用，價格已經大大降低。廣泛用于長距離傳輸。50Gbps傳輸100km而不用光放大器。輸入脈沖輸出脈沖輸入脈沖輸出脈沖光纖的衰減用于光纖通信的三個波段：0.85、1.30、1.55um，每個波段有25000～30000GHz帶寬；后兩段有很好的衰減特性。光纖的色散：光在光纖中傳播時會發(fā)散。色散程度與波長有關。塑料外套保護著這束光纖金屬線加固電纜使光纜不會在一個折斷光纖的角度彎曲光纜由許多玻璃光纖組成光纖和包層裝在塑料外殼內光纖被包層包裹著或覆蓋著，這些包層用來反射在光纖中傳輸的光每根光纖的核心是直徑比人發(fā)還細、構造完美的玻璃管光纜是一捆極細的玻璃管。每一根比人的頭發(fā)還細的管子稱之為光纖光纖的組成光纖的連接在連接器上終止，并插入到光纖接口中，損失10%~20%的光機械手段結合，10%的光損失熔合，少量光損失光纖傳輸系統(tǒng)光源：一個光脈沖表示比特1，沒有光則表示0。傳輸介質：極細的玻璃纖維檢測器：光信號的接收光敏二極管：光照產生電脈沖，典型的響應時間是1ns（限制數據傳輸率為1Gbps）光源LED（LightEmittingDiodes，發(fā)光二極管）半導體激光波長調節(jié)：通過在光纖和光源間插入以下干涉計，可以對波長進行調節(jié)。Fabry-Perot干涉計Mach-Zehnder干涉計光纖網絡具有有源中繼器的光纖環(huán)網：信號再生無源星型連接光纖的特點通信容量非常大傳輸損耗小，中繼距離長，適用于遠距離通信抗雷電和電磁干擾無串音干擾，保密性好體積小，重量輕主要應用場合：骨干網絡為什么光纖如此誘人？給定波段寬帶?λ，就可計算頻段?f，繼而計算出數據傳輸速率。波段越寬，數據傳輸速率越高。E.g.λ=1.3um,?λ=0.17um;?f=30THz。若編碼效率為8bit/Hz，則數據傳輸速率為240Tbps。1966年，英籍華人高錕，2009年諾貝爾物理學獎得主，《光頻介質纖維表面波導》，提出用石英玻璃纖維（光纖）傳送光信號來進行通信，可實現長距離、大容量通信。1970年，損失為20db/km光纖，康寧公司花費3000萬美元，得到30米光纖樣品。1976年，美國貝爾實驗室在亞特蘭大到華盛頓間建立了世界第一條實用化的光纖通信線路，速率為45Mbps。上世紀70年代末，大容量的單模光纖和長壽命的半導體激光器研制成功。1996年WDM技術取得突破，貝爾實驗室發(fā)展了WDM技術，美國MCI公司在1997年開通了商用的WDM線路。光纖通信系統(tǒng)的速率從單波長的2.5Gbps和10Gbps爆炸性地發(fā)展到多波長的Tbps（1Tbps=1000Gbps）傳輸。當今實驗室光系統(tǒng)速率已達10Tbps。光纖通信的歷史光纖和銅線的比較光纖的優(yōu)點光纖具有寬得多的帶寬，并且每公里衰減小不受電源震蕩、電磁波干擾，不受空氣中腐蝕化學物質侵蝕的影響對電話公司的吸引力：細，重量輕，便宜。1000根1km雙絞線重達8000kg；同樣容量和長度的兩根光纖，重100kg。安全性：不漏光光纖的缺點對光纖的處理需要較高的操作技能過度彎曲容易造成光纖損壞單工。雙向通信時需要兩根光纖，或者頻分雙工。接口成本高光進銅退2.3無線傳輸2.3.1電磁波譜電子的運動產生電磁波電磁波可以在空氣中傳播(通過天線)電磁波每秒鐘振動的次數稱為它的頻率f相鄰兩個波峰（或波谷）間的距離稱為它的波長λ光速c=λf100MHz：3m；1000MHz：0.3m;3000MHz：0.1m無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調幅無線電

調頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電VHF,UHF,SHF,EHF,THF：甚高頻，特高頻，超高頻，極高頻，巨高頻電磁波的帶寬給定波段寬帶?λ，就可計算頻段?

f，繼而計算出數據傳輸速率。波段越寬，數據傳輸速率越高。E.g.λ=1.3um,?λ=0.17um;?f=30THz。若編碼效率為8bit/Hz，則數據傳輸速率為240Tbps。電磁頻譜政策ITU-RWARC協(xié)調頻率分配方案；FCC授權頻段：3G頻段非授權頻段：TheISM（Industrial,Scientific,Medical，工業(yè)的/科學的/醫(yī)藥的）無需授權，小功率擴頻：減小彼此干擾藍牙，WLAN，微波爐等等2.3.2無線電傳輸容易產生，可以長距離傳輸，易于穿透建筑物，全方向。特性和頻率相關：低頻部分，穿透性好，但單位距離衰減大。頻率越高，越傾向于直線傳播，穿透性變差，單位距離衰減小。雨水吸收，易受干擾。在VLF/LF/MF波段，無線電波沿地面?zhèn)鬏斣贖F/VHF波段，地面波被地球吸收，到達電離層（距地表100~500km）的波可以被電離層反射回來（遠距離通信），但是電離層不穩(wěn)定，且存在多徑效應，因而通信速率較低。2.3.3微波傳輸在100MHz以上的頻段內，電波幾乎按直線傳播。使用拋物面天線：信噪比高，不同方向可復用。主要采用兩種形式：微波接力：微波塔越高，微波能走的距離越遠。塔高100m則中繼器間的距離可以為80km。衛(wèi)星通信微波對建筑物的穿透力不好。多徑衰落（multipathfading）：不同相，信號抵消。在4GHz左右，微波會被雨水吸收。雨霧衰減廣泛用于：長途電話網、移動電話網、電視轉播優(yōu)點微波波段頻率高，頻段范圍寬。通信容量很大工業(yè)干擾和天波干擾的主要頻率成份比微波頻率低的多，干擾小，傳輸質量高通信建設投資少，相對便宜，見效快缺點地面接力相鄰站之間必須直視：視距受惡劣天氣影響隱蔽性和保密性差中繼站的維護成本2.3.4紅外線和毫米波廣泛用于短距離通信方向性便宜，易于制造不能穿透固體物質：墻壁。有利有弊使用無需經過政府許可2.3.5光波傳輸將兩個建筑物中的LAN通過屋頂上安裝激光連接起來。單向，兩端都需要激光發(fā)生器和光檢測器低成本，高帶寬安裝簡單，無需政府許可不能穿透雨霧。激光束很窄。方向性強。氣流可以干擾激光通信系統(tǒng)2.4通信衛(wèi)星人造衛(wèi)星，天空中的“微波中繼站”有多個異頻收發(fā)器（transponder）每個異頻收發(fā)器監(jiān)聽頻譜的一部分，對進來的信號進行放大，再在另一個頻率上重新發(fā)送出去向下波束的覆蓋范圍：可寬可窄影響衛(wèi)星安放位置的因素：衛(wèi)星軌道周期隨著軌道半徑的3/2次冪變化，高度越高，周期越長。范艾倫帶：受地球磁場影響的高度帶電的粒子層。在該高度，粒子會撞毀衛(wèi)星。避開適合的三個區(qū)域：低軌道（LEO）、中軌道（MEO）、地球同步軌道（GEO）2.4.1地球同步衛(wèi)星GEO（GeostationaryEarthOrbit，地球同步軌道），赤道軌道上方35,800km高度。為避免干擾，同步衛(wèi)星之間的距離不能小于2°。太空中最多有180顆同步衛(wèi)星。ITU負責分配軌道槽以避免混亂頻率分配為增大傳輸容量：各異頻收發(fā)器之間：頻分復用（FDM）每個異頻收發(fā)器內：時分復用（TDM）VSAT（VerySmallApertureTerminals，小孔終端）：低成本微型站天線?。?m左右）；功耗小（1W左右）對于無足夠功率實現相互通信的微型站來說，增加中心站（hub，高增益天線）用于轉發(fā)VSAT之間的流量。通信衛(wèi)星的一些特點端到端延遲比較長，典型值270ms，對于使用了中心站的VSAT系統(tǒng)來說，典型值為540ms。地面微波鏈路典型傳播遲延：3us/km;有線鏈路(coax,fiber)典型傳播遲延：5us/km天生的廣播介質傳輸一條消息的成本和經過的距離無關錯誤率極低部署快速2.4.2中間軌道（MEO）衛(wèi)星中間地球軌道（Medium-EarthOrbit），軌道周期大約6小時，尚未應用于通信領域美國：GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)），18000km高度，24顆星歐盟：伽利略定位系統(tǒng)，23222km高度，38顆星中國：北斗1號（已投入使用，區(qū)域性導航系統(tǒng)）和北斗2號（建設中，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，預計2015年建成）北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗二號是中國開發(fā)的獨立的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，規(guī)劃5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。2012年左右，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的導航、授時和短報文通信服務能力。提供即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區(qū)免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，授時精度為10納秒，測速精度為0.2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。2.4.3低軌道衛(wèi)星LEO（Low-EarthOrbit，低地球軌道）優(yōu)點：終端功耗低，往返遲延?。◣缀撩耄┤秉c：完整的通信系統(tǒng)需要大量的衛(wèi)星實例或構想：銥計劃：摩托羅拉，話音通信GlobalStar：話音通信Teledesic：微軟，Internet服務銥計劃（Iridium）:Motorola由1990年提出。1998年11月服務，1999年8月宣布破產原定77（“銥”）顆，后修訂為66顆低軌道衛(wèi)星。離地高度750km，往返遲延幾毫秒。6條衛(wèi)星項鏈覆蓋全球；每顆衛(wèi)星最多48個單元格（點波束）提供語音、數據、尋呼、導航等服務，針對偏遠地區(qū)星上交換信息Globalstar48顆LEO衛(wèi)星組成地面交換，復雜性放到地面。Teledesic：空中互聯(lián)網Teledesic通信衛(wèi)星系統(tǒng)定位于提供全球化的，高帶寬的Internet服務。2002年計劃中止。計劃為用戶提供上行100Mb/s，下行720Mb/S的帶寬，而每位用戶則使用一個小的，VSAT天線完成它設計使用288顆衛(wèi)星，排列成為12平面，位于距地高度1350KM處。后改成30顆。2.4.4衛(wèi)星vs.光纖衛(wèi)星同樣可以提供很高的帶寬對移動通信的支持廣播信息的發(fā)布惡劣地形或地面設施很差的地區(qū)難于獲得路權的地區(qū)快速部署網絡2.5公共交換電話網絡（PSTN）2.5.1電話系統(tǒng)結構公共交換電話網絡（PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN）電話系統(tǒng)的結構全連接->中心控制->多層分級電話系統(tǒng)的三個主要部件本地回路（雙絞線，模擬信號）干線（光纖，數字信號）：長途干線交換局（干線間的交換）：端局、長途局、中心交換局數字vs.模擬數字信號更容易再生，高速率，低成本，更容易維護數字信號更便于計算機的高速處理2.5.2本地回路傳統(tǒng)的調制解調器ADSL無線本地回路調制解調器的應用形式傳輸線路的三個主要問題衰減（attenuation）：信號在傳輸過程中的能量損失（dB/km），和頻率相關。延遲畸變（delaydistortion）：信號不同頻率的傅立葉分量在線路上的傳播速度不同。噪聲（noise）：一些來自于非發(fā)射器的多余能量（熱噪聲、串擾、脈沖噪聲等）當計算機希望通過模擬線路傳送數字數據的時候，必須將數據轉換成模擬的形式。這是因為數字信號的方波具有很寬的頻譜，因而衰減和延遲畸變很嚴重；基帶信號不適合，必須進行調制。調制解調器的作用基本調制技術調幅（AmplitudeModulation，AM）：載波的振幅隨基帶數字信號而變化，在數字信號調制中稱為幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK）調頻（FrequencyModulation，FM）：載波的頻率隨基帶數字信號而變化，在數字信號調制中稱為頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，FSK）調相（PhaseModulation，PM）：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化，稱為相移鍵控（PhaseShiftKeying，PSK）調制方式為了在每個符號中傳輸盡可能多的位，多種調制方法可以組合使用。QPSKQAM-16（QuadratureAmplitudeModulation，正交振幅調制）QAM-64標準調制解調器，通常采用2400波特的采樣速率V.32：32個星座點（32-QAM），每個碼元傳輸4個數據位和1個校驗位，速率2400*4=9600bpsV.32bis：128個星座點（128-QAM），每個碼元傳送6個數據位和1個校驗位，速率2400*6=14,400bpsV.34：每個碼元傳送12個數據位，速率2400*12=28.8kbpsV.34bis：每個碼元傳送14個數據位，速率2400*14=33.6kbps所有的調制解調器都是全雙工的（full-duplex）（不同方向使用不同頻率）。半雙工，單工標準的調制解調器截止于33.6kbps電話系統(tǒng)的香農限制是35kbps（與本地回路的平均長度和這些線路的質量有關）計算機~ISP1間存在兩個模擬本地回路：源端本地回路和目的端本地回路產生量化噪聲的地方

（經過A/D變化的地方）A2/4A/DA/DD/AD/A數字信號數字信號交換機1交換機2V.3433.6kb/s

調制解調器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s

調制解調器產生量化噪聲產生量化噪聲使用V.34調制解調器（33.6kb/s）

產生量化噪聲產生量化噪聲用戶環(huán)路模擬信號用戶環(huán)路模擬信號56kbps的modem去掉一個（目的端）模擬本地回路，減小了噪聲。計算機~ISP256kbps要求ISP使用數字回路。標準上行信道速率下行信道速率V.3433.6kb/s33.6kb/sV.9033.6kb/s56kb/sV.9248kb/s56kb/s產生量化噪聲的地方

（經過A/D變化的地方）使用V.90調制解調器（56kb/s）

A2/4A/DA/D交換機1因特網服務提供者V.9056kb/s調制解調器D/AV.9056kb/s調制解調器數字信號數字信號

至因特網（數字信號）用戶環(huán)路模擬信號僅在此處產生量化噪聲僅在此處產生量化噪聲下行信道：Internet->交換機1均為數字傳輸，少一次模數轉換數字用戶線路（DSL）數字用戶線路（digitalsubscriberlines）調制解調器慢速的原因：局端的濾波器限制了本地回路的帶寬只有4000Hz解決的方法：去掉局端濾波器，充分發(fā)揮本地回路的全部承載能力xDSLADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對稱數字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數字用戶線DSL：ISDN用戶線。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應DSL，是ADSL的一個子集，可自動調節(jié)線路速率）DSL的極限傳輸距離DSL的極限傳輸距離與數據率以及用戶線的線徑都有很大的關系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離就縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里3類UTP用于DSL時，帶寬和距離的關系DSL的設計目標必須在現有的3類UTP上工作不能影響現有的業(yè)務必須提供高于56kbps的業(yè)務能力服務總可用，按照月租方式收費使用最多的是ADSL上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL采用離散多音調

DMT(DiscreteMulti-Tone)調制技術。DMT離散的多信道調制技術劃分1.1MHz可用頻譜（頻分復用FDM）POTS（PlainOldTelephoneService，傳統(tǒng)的簡單電話服務）上行數據流下行數據流分為256個獨立子信道信道0用于POTS，信道1-5用于語音和數據的保護間隔剩余250條信道中，兩條做上行、下行控制外，全部用于用戶數據DMT技術的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)~25~1100例：每條信道內采樣率4000波特，每個波特15位數據，224條下行信道可達速率13.44MbpsADSL（AsymmetricDSL，非對稱數字用戶線路。標準：ITUG.992.1(也稱G.DMT，有分離器的ADSL收發(fā)器)；上行640kbps/下行8MbpsG.992.2(也稱G.Lite，無分離器的ADSL收發(fā)器)；640k/1.5MbpsG.992.3(也稱ADSL2，有分離器)；1.2M/12MbpsG.992.4(無分離器的ADSL2收發(fā)器)；G.992.5-2003（也稱ADSL2+，增強功能的ADSL2收發(fā)器)。1.2M/24Mbps。(帶寬增至2.2MHz)ADSL設備連接圖無線本地回路無線本地回路（WirelessLocalLoop，WLL）比雙絞線更經濟的的本地回路為用戶提供高速度Internet連接服務便于安裝指向端局的大的有向天線用戶從不移動MMDS（MultichannelMultipointDistributionService，多信道多點分發(fā)服務）：原本分配給教育臺的頻道（共198MHz）被回收用于WLL。在2.1GHz和2.5GHz附近。帶寬較窄。LMDS（LocalMultipintDistributionService，本地多點分發(fā)服務）工作頻段：28~31GHz（歐洲40GHz）；頻帶寬度1.3GHz后來發(fā)展成為IEEE802.16（WMAN）標準應用目標：數字電話、Internet訪問、連接兩個遠距離的LAN、電視和電臺廣播等毫米波具有很強的方向性，每個天線指向不同的方向，對應一個扇形工作區(qū)，相互獨立，傳輸范圍2~5km非對稱的帶寬分配：下行速率高。每扇區(qū)36Mbps下行，1Mbps上行，扇區(qū)中所有用戶共享每扇區(qū)支持的活動用戶數不應超過9000個LMDS存在的問題毫米波直線傳播，屋頂和塔之間必須有一條很清晰的視線樹葉和雨水都會吸收毫米波共享信道2.5.3多路復用概念和方法復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術常見的多路復用技術FDM（FrequencyDivisionMultiplexing，頻分多路復用）：頻譜被分為頻段，每個用戶可以單獨擁有某個頻段（廣播電臺）TDM（TimeDivisionMultiplexing，時分復用）：用戶輪流獲得整個帶寬，每次僅使用一小段時間（大會上的輪流發(fā)言）頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。TDM非常適合用于傳輸數字信號，并且便于計算機處理（而FDM則只適合傳輸模擬信號，并且不適合計算機處理）時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發(fā)性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。統(tǒng)計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用2.5.4電話系統(tǒng)中的干線和多路復用目前，電話系統(tǒng)中用戶環(huán)路外，全部使用數字技術。因此話音進入端局后需要數字化。PCM（PulseCodeModulation，脈沖編碼調制）：8kHz采樣頻率（周期125us），每個采樣信息用8bits表示。4kHz模擬話音信號→64kbps數字信號電話系統(tǒng)中在較低速度的干線（靠近用戶側）上主要使用時分復用技術。電話系統(tǒng)中在較高速度的干線（靠近核心網）上主要使用波分復用技術。時分多路復用只能用于數字通信，在干線使用。多級多路復用T1及其高階多路復用E1及其高階多路復用SONET/SDHT1線路（T1carrier）：北美和日本標準8kHz采樣速率（幀長125us），24條語音信道，每個信道8比特，一個幀有24x8比特，另有一個用于同步的比特位，每個幀中的比特數為24x8+1=193，線路速率為193x8k=1.544Mbps。其中23個信道用于用戶數據，第24個信道用于特定的同步模式，在失去幀同步時可以快速恢復。E1線路：歐洲和中國標準2.048Mb/s傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………時分復用幀TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt時分復用幀時分復用幀T=125μs15個話路15個話路幀同步傳送信令8X32bit/0.000125sE1（除了北美和日本）：每125us一幀，每幀中32個信道，每個信道8位采樣，其中2個信道用于信令，其余30個信道用于用戶數據。線路速率為32x8x8000=2.048Mbps多個T1/E1線路可以被復用到更高階的線路上T1和E1之間不兼容準同步數字序列：異源時鐘SONET/SDH：TDM傳輸系統(tǒng)標準SONET：SynchronousOpticalnetwork，同步光纖網。美國標準。SDH：SynchronousDigitalHierarchy，同步數字序列。CCITT標準。二者差異很小。用于干線傳輸設計目標必須使不同的承運商可以協(xié)同工作統(tǒng)一美國、歐洲和日本的數字系統(tǒng)復用多條數字信道必須支持操作、管理和維護（OAM）SONET的幀組成每125us，810字節(jié)的數據塊9行，90列，每個單元1個字節(jié)前三列保留用于系統(tǒng)管理前三行為段開銷后六行為線路開銷87列用戶數據（SynchronousPayloadEnvelope，同步凈荷包封）SPE可以從幀內的任何地方開始?？梢钥缭絻蓚€幀。線路開銷的第一行包含一個指針，指向SPE的第一個字節(jié)。SPE的第一列為路徑開銷。其余為用戶數據速率線路速率：90x9x8x8000=51.84Mbps（STS-1）SPE速率：87x9x8x8000=50.112Mbps用戶數據：86x9x8x8000=49.536MbpsSONET幀背靠背（backtoback）傳輸，幀間無間隔每幀的前兩個字節(jié)有固定的模式用于同步SONET復用層次波分多路復用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）：頻分WDM發(fā)展趨勢容量越來越大。2.5Gbps*8=20Gbps→2.5Gbps*40=100Gbps→10Gbps*96=960Gbps。DWDM（DenseWDM，密集波分復用）:波長間隔很近（0.1nm）通過WDM技術，在不同波長上并行運行多條信道，使得聚合起來的帶寬隨信道數目線性增加。單根光纖帶寬大約為25,000GHz全光化，使用全光放大器，光分插復用器，光交叉連接等設備，無需光電轉換2.5.5交換（Switching）電路交換（CircuitSwitching）在收發(fā)兩端建立一個專用的物理通路。專用的物理通路可以是一個時隙。通信之前，先建立連接；通信之后，拆除連接電路交換舉例A和B通話經過四個交換機通話在A到B的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換舉例C和D通話只經過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA報文交換（MessageSwitching）收發(fā)雙方事先不需要建立專用通路發(fā)送方發(fā)送的消息（message），采用存儲轉發(fā)方式，在交換機中整個消息被完整的接收下來再轉發(fā)出去；這樣消息逐跳的在交換機中被中轉，直到到達目的端。缺點長時間占用線路，無法同時為多個用戶提供服務存儲轉發(fā)時間長，不利于沿路各交換節(jié)點并行處理數據消息越長，端到端遲延就越大。對資源的消耗高，錯誤恢復成本高。分組交換（PacketSwitching）以大小受限的分組（packet）為單位，在每一個中間交換結點（router）首先被存儲，再轉發(fā)到下一個結點，這稱為存儲轉發(fā)方式（storeandforward）虛電路：事先建立專門的路徑，各分組沿相同路徑轉發(fā)。數據報：各分組獨立被轉發(fā)，事先沒有建立專門的路徑。三種交換方式性能參數：吞吐量，時延三種時延：發(fā)送時延；傳播遲延；排隊遲延項目電路交換分組交換-虛電路分組交換-數據報建立呼叫連接要求要求不要求專門的物理路徑是否否每分組路徑相同相同不同分組按序到達是是否單點故障是是否可用帶寬固定動態(tài)動態(tài)可能有浪費的帶寬是否否可能擁塞的時間點連接建立時連接建立和分組傳送分組傳送時存儲-轉發(fā)機制否是是透明傳輸是否否收費計時記流量記流量電路交換和分組交換的比較服務質量與資源消耗的矛盾2.6移動電話系統(tǒng)無繩電話（cordlessphone）移動電話（蜂窩電話，cellphone）第一代：模擬語音第二代：數字語音第三代：數字語音和數據2.6.1第一代移動電話：模擬語音1964年，按鈕啟動式通話系統(tǒng)20世紀60年代，IMTS（ImprovedMobileTelephoneSystem，改進的移動電話系統(tǒng)）1982年，AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem，高級移動電話系統(tǒng)）：Bell實驗室發(fā)明.AMPS的蜂窩cell每個地理區(qū)域分成許多蜂窩單元，如上圖（a），每個cell使用一組頻率，跨度10~20km，并且這組頻率在相鄰蜂窩中不再使用（保證良好的隔離性和較低的干擾），實現頻率重用。較小的蜂窩單元可以增加系統(tǒng)容量。如上圖(b)微蜂窩：切換handoff：移動站從一個蜂窩到另一個蜂窩時的信號轉移過程。軟切換：同時與兩個基站保持信號聯(lián)系硬切換基站（basestation）位于蜂窩中心，所有的移動電話都直接和基站通信基站和MTSO（MobileTelephoneSwitchingOffice，或MSC）連接系統(tǒng)內的MTSO形成類似PSTN的多級連接AMPS的組成AMPS利用FDM分隔信道共有832個全雙工信道，每個信道由一對單工信道組成832個發(fā)送信道的頻率范圍824—849MHz832個接收信道的頻率范圍869—894MHz每個單工信道的帶寬為30kHz相鄰蜂窩不能使用同樣的頻率，每個蜂窩實際可用的語音信道為45個左右信道的分類控制（基站→移動電話），用于管理系統(tǒng)呼叫（基站→移動電話），用于提醒用戶呼叫到來訪問（雙向），用于呼叫建立和信道分配數據（雙向），用于語音、傳真和數據AMPS的信道呼叫管理移動電話A→基站（我在你的服務區(qū)）用戶撥號，被叫號碼B+主叫號碼A→基站（我是A，幫我呼叫B）（訪問信道）MTSO尋找一條空閑信道f，基站→移動電話A（OK，請切換到頻率f）（控制信道）MTSO查找被叫方的主MTSO被叫方所在蜂窩基站→所有區(qū)內移動電話（B在不在？）（呼叫信道）移動電話B→基站（我在）（訪問信道）基站→移動電話B（有人在頻率f上呼叫你）移動電話B切換到頻率f，并開始振鈴我國的第一代模擬蜂窩系統(tǒng)TACS：英國研制，全接入通信系統(tǒng)采用FDMA接入，以窄帶調頻（FM）的方式傳送模擬話音信號工作頻率A頻段890MHz～897.5MHz 移動臺→基站935MHz～942.5MHz基站→移動臺B頻段897.5MHz～905MHz移動臺→基站942.5MHz～950MHz基站→移動臺頻道間隔：25kHz雙工間隔：45MHz2001年底關閉2.6.2第二代移動電話：數字語音D-AMPS，數字高級移動電話系統(tǒng)，TheDigitalAdvancedMobilePhoneSystem。廣泛用于美日GSM，全球移動通信系統(tǒng)，GlobalSystemforMobilecommunication。CDMA，碼分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess。D-AMPS國際標準IS-54和IS-136AMPS兼容，可以動態(tài)改變信道類型（模擬/數字）新加入1900MHz頻段上行1850~1910MHz下行1930~1990MHz更短的波長導致了更小的手機聲音被數字化并壓縮，PCM編碼降到8kbps以下。聲音編碼器（vocoder）多個用戶可以通過TDM共享一對頻率每個子信道（一對頻點）每秒25幀，每幀40ms，分為6個時隙，每個時隙6.67ms，324bit（64bit控制+101bit糾錯+159bit用戶數據），每個子信道速率324x6x25=48.6kbps三個用戶輪流使用單個子信道單向語音數據：159x50=7.95kbps六個用戶輪流使用單個子信道如何減少編碼時每條信道所需要的位數:差分脈沖編碼調制：輸出當前樣本與前一個樣本的差值。增量調制(deltamodulation)：每個樣本值與前一個相差1。預測編碼:根據前面少數值預測下一個值，然后對實際信號值與預測值間的差值進行編碼。GSMGSM和D-AMPS的相同點都是蜂窩狀的系統(tǒng)都使用頻分復用，一對頻率提供全雙工信道同一信道上利用TDM多個用戶共享GSM和D-AMPS的不同點GSM提供每信道200kHz帶寬，D-AMPS提供每信道30kHz帶寬D-AMPS用于美日，GSM廣泛用于其他國家。124對單工信道組成124個全雙工信道，每個信道帶寬200kHz每個信道使用TDM機制支持8個獨立連接（時隙），每個TDM幀長4.615ms。26個TDM幀構成一個120ms的復幀，其中有24個給用戶使用每個時隙含一個148bit的數據子幀，持續(xù)時間547us每個信道總的傳輸速率270kbps，由8個用戶共享每用戶速率33.854kbps，糾錯前凈荷速率能達到24.7kbps考慮到使用糾錯，語音數據可達13kbps。GSM中的控制信道廣播控制信道：移動站發(fā)現基站專用控制信道：位置更新、注冊和呼叫建立公共控制信道呼叫信道：移動站監(jiān)聽以獲知有呼叫到達隨機訪問信道：允許用戶在專用控制信道上請求一個時隙訪問授權信道：宣告在專用控制信道中被分配的時隙CDMACDMA的國際標準IS-95，被認為是最佳的技術方案，是第三代移動通信的基礎CDMA和TDMA，FDMACDMA并不將整個可用的頻率范圍分成窄的信道，而是允許每個站在任何時候都可以在整個頻段范圍內發(fā)送信號，有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現。假設信號可以線性疊加，各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。CDMA系統(tǒng)的工作原理將每一個數據比特時間（bittime）分成m個時間間隔，每個時間間隔稱為時間片（chip，碼片）每一個站分配一個唯一的m位代碼，稱為時間片序列（chipsequence）傳送1時，發(fā)送該站的時間片序列傳送0時，發(fā)送該站的時間片序列的反碼對系統(tǒng)帶寬的要求增加了m倍（b→mb）CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttm

個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx數據碼元比特每個站都有唯一的時間片序列所有的時間片序列兩兩正交，即任何兩個不同的時間片序列S和T歸一化內積S·T為0，即在S和T的分量中，對應分量相等的數目與不相等的數目一樣多。CDMA舉例CDMA的優(yōu)勢與困難大容量抗干擾能力強同步要求嚴格遠近效應--功率控制2.6.3第三代移動電話：數字語音和數據IMT-2000預期提供的服務：2Mbps速率（固定時），384Kbps（移動時）高質量的語音；消息服務；多媒體；Internet現有的提案WCDMA（WidebandCDMA），愛立信提出；采用直接序列擴頻（DSSS）；5MHz信道帶寬；歐盟支持，也叫UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem）；可與GSM網絡協(xié)同工作CDMA2000，Qualcomm，美國支持采用DSSS，5MHz帶寬，與IS-95兼容TD-SCDMA（timedivisionsynchronouscodedivisionmultipleaccess），大唐移動，