计算机网络 | 物理层

物理层实现了比特流的透明传输,规定了通信设备与传输介质、接口、硬件的机械特性、电器特性、功能特性和过程特性

本篇文章的目录如下:

• 物理层的任务
• 几种常用的信道复用技术
• 几种常用的宽带接入技术

1. 物理层的基本概念
   物理层考虑的是在各种计算机传输媒介上传输数据比特流。物理层的作用是要屏蔽掉各种通信设备和传输媒介的差异，使得数据链路层感觉不到这些差异。
   物理层的主要任务就是规定通信设备与传输介质、接口、硬件的各种特性：
   a. 机械特性：指明接口所用连线器的形状和尺寸、引脚数目和排列规则、接口固定方式等
   b. 电气特性：指明引脚的电压范围，即多大电压表示“0”活“1”。电器特性决定了数据传输速率和信号传输距离。
   c. 功能特性：指明某一线上出现某一电的具体意义，即接口信号引脚的功能分配和确切定义。
   d. 过程特性：指明利用信号线进行比特流传输的操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。
2. 数据通信的基础知识
   一个数据通信系统和划分为三大部分，即源系统（发送方）、传输系统（传输网络）、目的系统（接受方）。
   a. 数据通信系统模型如下
   
   根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为一下两大类
   i. 模拟信号（连续信号）——代表消息的参数的取值是连续的。
   ii. 数字信号（离散信号）——代表消息的参数的取值是离散的。
   b. 信道的基本概念
   信道一般是用来表示向某一方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
   从通信双方信息交互的方式来看，有一下三种基本方式
   i. 单向通信（单工通信）：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
   ii. 双向交替通信（半双工通信）：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
   iii. 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。
   来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号），许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量（基带信号），为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。
   调制可分为两大类
   i. 基带调制（编码）：把数字信号转换为另一种形式的数字信号
   不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
   归零制： 正脉冲代表1，负脉冲代表 0。
   曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
   差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。
   ii. 带通调制：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，通过载波进行调制，经过调制后的信号称为带通信号
   
   调幅： 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0 或 1 分别对应于无载波或有载波输出。
   
调频：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0 或 1 分别对应于频率f1或f2。
   

调相：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0 或1分别对应于相位 0度或 180度。
   c. 信道极限容量
   任何实际的信道都不是理想的，都不能以任意高的速率进行传送。
   数字通信的优点：虽然信号在信道上传输时会不可避免的失真，当只要我们在接收端从失真的波形中能识别出原来的信号，那这种失真对通信质量就没有影响。
   
   i. 限制码元在在信道上的传输速率的因素有以下两个
   信道能够通过的频率范围：具体信道能够通过的频率范围是有限的。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。传输速率超过此上限。就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能。
   信噪比：信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。
   信噪比（dB）= $10lo{g}_{10}(S/N)(dB)$
   香农公式指出了信道的极限信息传输速率C，还表明信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高 $C=Wlo{g}_2(1+S/N)(bit/s)$ W为信道的带宽，S为信道中信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率
   对于频带宽度已经确定，且信噪比也不能再提高的信道，还有什么办法提高信息的传输速率呢？答案是让每一个码元携带更多的比特信息
   例如：假定我们的基带信号是101011000110111010…
   如果直接传送每个码元携带1bit。现将信号中每三个比特编为一个组，即101、011、000、110、111、010，三个比特公用8中不同的排列，我们用不同的调制方法。比如用8 种不同的振幅，或8 种不同的频率，或 8 种不同的相位进行调制。假定采用相位调制，φ1表示 001，φ2表示 010…φ7表示111这样原来的18个码元就转换为由 6 个新的码元φ5φ3φ0φ6φ7φ2组成的信号，这样信息传输速率就提高了3倍。
3. 物理层下的传输媒体
   传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播）和非导引型传输媒体（电磁波在自由空间中的传播）。
   a. 导引型传输媒体
   i. 双绞线：双绞线也称为双扭线。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则的方法绞合。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
   模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真了的数字信号进讲行整形（对于数字传输）。
   为了提高抗电磁干扰的能力，可以在双绞线外面加一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线。
   ii. 同轴电缆：同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
   
   iii. 光缆
   光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝
   考点：1.光纤分为几类,有什么区别 ？
   光纤分为两类
   单模光纤:光纤的直径减小到只有一个光的波长，光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
   特点：激光,性能好,近距离传输,做主干
   多模光纤:存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
   特点：混合光,远距离传输,降低成本
   考点：2.为什么推进铜退光进?（为什么光纤是未来的发展趋势?）
   光纤的优点
   通信容量非常大
   传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
   抗雷电和电磁干扰性能好。
   无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
   体积小，重量轻。
   b. 非导引型传输媒体
   i. 微波通信
   传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。
   微波接力通信
   优点：
   波段频率很高，频段范围也很宽，通信信道的容量很大。
   频谱成分比微波频率低得多，微波传输质量较高。
   微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
   缺点：
   相邻站之间必须直视，不能有障碍物。
   会受到恶劣气候的影响。
   微波通信的隐蔽性和保密性较差。
   对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
   卫星通信
   优点：
   传输容量大,带宽非常宽
   卫星的覆盖范围广
   同一卫星通信费用与通信距离无关
   卫星通信真正提供了没有实体交换的灵活网络架构,实现了可移动的网络环境
   缺点：
   较大的传播时延
4. 信道复用技术
   a. 频分复用、时分复用和统计时分复用
   最基本的复用就是频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频带，时分复用更有利于数字信号的传输。
   
   时分复用的缺点：在时分复用帧分配给用户时隙时，若用户在该时隙没有数据发送，其他用户即使一直有数据发送也不能使用这些空闲的时隙。导致信道利用率不高。
   统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。
   
   b. 波分复用
   波分复用 WDM （Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。
   
   c. 码分复用
   码分复用 CDM（Code Division Multiplexing）是另一种共享信道的方法。有很强的抗干扰能力。更常用的名词是码分多址 CDMA（Code Division Multiple Access）。在 CDMA 中，每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）。
   使用 CDMA 的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列l（chip sequence）。例如，指派给S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。当S发送比特 1时，它就发送序列 00011011，而当 S 发送比特 0时，就发送反码11100100。假定S站数据传输速率为b bit/s，每个bit转换为m个比特码片，因此实际数据传输速率提高到mb bit/s。是一种扩频通信方式。