第2章 物理层.ppt

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1、第2章 物理层,传输介质 电话系统（PSTN） Internet 的本地接入,传输介质,双绞线 同轴电缆 光缆 无线传输,双绞线 （twisted pair）,线间干扰较小、价格便宜、易于安装 可传输模拟信号，也可传输数字信号在电话系统的最后一公里，用于传输模拟信号 在计算机网络中，用于传输数字信号，常用8芯无屏蔽双绞线（UTP）通常的传输距离为100 m 如Cat3（10 Mbps）和Cat5（100 Mbps）,传输介质,双绞线 同轴电缆 光缆 无线传输,同轴电缆,50同轴电缆 50同轴电缆用于数字信号传输，目前基本已被双绞线所替代 75同轴电缆 75同轴电缆用于模拟信号传输，目前主要用于

2、电视信号的传输 由于75同轴电缆的带宽极宽，所以，也被用于城域网，如有线通,常用的同轴电缆有两种：,传输介质,双绞线 同轴电缆 光缆 无线传输,光缆,多模光缆：信号通过光的折射在光纤中传输，距离2 km 单模光缆：直线传输，距离10 km,光传输系统包括：光源、传输介质（光纤）、光检测器,光缆相对铜缆的特性,带宽高 距离远 损耗低 重量轻无电磁干扰 防窃听 端口设备价格高,传输介质,双绞线 同轴电缆 光缆 无线传输,无线传输,无线电传输 微波传输 红外线和毫米波 光波传输,根据波长分成不同的波段，依次为无线电、微波、红外、可见光、紫外等,用于通信的电磁波频段,f(Hz) 100 102 104

3、 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,双绞线,TV,FM,AM,同轴电缆,微波通信,卫星通信,光通信,波长 30km 3km 30m 3m 30mm 3mm 30m 3m,Tnbm P101 Fig.2-11 用于通信的电磁波频段,地面无线通信模型,传输距离：天线的高度、类型和信号强度 传输可靠性：障碍物 传输正确性：气象条件,卫星通信模型,VSAT：甚小孔径卫星终端 very small aperture

4、 satellite terminals,第2章 物理层,传输介质 电话系统（PSTN） Internet 的本地接入,电话系统（PSTN）,公用电话交换网，简称：PSTN Public Switched Telephone Network,通常的计算机通过MODEM拨号上网，就是通过电话系统进行数据传输 计算机系统的误码率为10-12 ，而电话系统的误码率为10-5，是计算机系统的107倍 综合比较，相差11个数量级,电话系统的树状结构,每部电话完全互联是不可能的，所以一般为树状结构,一级中心：国家级中心 二级中心：省、直辖市中心 三级中心：区、县级中心 四级中心：区内（本地）交换局,电话系

5、统的数字化趋势,与模拟传输相比，数字传输具有明显的优势，所以电话系统数字化是发展趋势,电话系统由三部分组成： 本地回路：双绞线，模拟传输，1 km 10 km 主干线：交换局间的光缆，数字传输 交换局：交换设备，交换技术,本地回路,电话系统中的电话局间都已采用光缆连接，并大多已实现数字传输 本地回路要实现光纤到户成本太高且无必要，因为家庭电话毋需复用，也不允许复用 Internet 是OVER在电话系统上的，所以必须实现远距离数字数据的传输，并且应用对带宽的需求必将对本地回路的信道复用提出要求 Internet 可通过本地回路的接入方法接入,电话系统的数字化趋势,与模拟传输相比，数字传输具有明

6、显的优势，所以电话系统数字化是发展趋势,电话系统由三部分组成： 本地回路：双绞线，模拟传输，1 km 10 km 主干线：交换局间的光缆，数字传输 交换局：交换设备，交换技术,主干线,PCM 采样和量化 T1线路 E1线路 SONET和SDH,主干线常采用多路复用技术以提高线路的利用率,PCM（Pulse Code Modulation）,脉冲编码调制PCM 由于数字传输的明显优势，所以，主干线都采用数字传输，于是终端用户（如电话的语音信号）的模拟数据到达本地局后，都必须转换成数字数据，以适合主干线的传输 PCM以采样定理为基础 采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二

7、倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息,主干线,PCM 采样和量化 T1线路 E1线路 SONET和SDH,主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率,采样和量化,采样速率：8000次/秒 电话系统的历史及其对整个世界的覆盖决定了计算机网络必须OVER在电话系统的承载网上 根据人的听觉功能，电话系统中每个信道的频宽为4000 Hz，根据Nyquist定理，对于4000 Hz的信号，多于8000次/秒的采样是无意义的 采样值的量化 一次采样值分成多少个等级，将决定量化后的数据量，如等分成256个等级，则必须用8 bit表示,采样和量化举例,主干线,PCM 采

8、样和量化 T1线路 E1线路 SONET和SDH,主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率,T1线路 1.544M b/s,T1线路由24个多路复用信道组成,每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7 bit 每个信道每次采样生成7bit数据位加1 bit控制位，即7b + 1b 即每个信道每秒生成56K + 8K的传输速率 24个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为： 8 bit x 24 = 192 bit，每帧间加一个bit，所以每帧为193 bit 193 bit x 8000次采样/秒 = 1544000 bit/s = 1.544M b/s,北美、日本使用T1线路,主

9、干线,PCM 采样和量化 T1线路 E1线路 SONET和SDH,主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率,E1线路 2.048M b/s,E1线路由32个多路复用信道组成,每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8 bit，其中包括用于信令的bit 32个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为： 8 bit x 32个信道 = 256 bit 256 bit x 8000次采样/秒 = 2.048M b/s,欧洲、中国使用E1线路,多个T1或E1线路的复用,一次群：T1 = 1.544M b/sE1 = 2.048M b/s 二次群：T2 = T1 x 4 + = 6.312M

10、b/sE2 = E1 x 4 + = 8.848M b/s 三次群：T3 = T2 x 6 + = 44.736M b/sE3 = E2 x 4 + = 34.304M b/s 四次群：T4 = T3 x 7 + = 274.176M b/sE4 = E3 x 4 + = 139.264M b/s,主干线,PCM 采样和量化 T1线路 E1线路 SONET和SDH,主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率,SONET/SDH,SONET（Synchronous Optical Network）同步光纤网 美国标准ANSI T1.105 106 STS-1（Synchronous Tran

11、sport Signal）同步传送信号 （电信号） OC-1（Optical Carrier）光载波 （ 光信号）采用每125 s送出一帧，每帧810 B，即810路电话。因此基本速率为 8b x 810B x 8000次采样/秒 = 51.84M b/s SDH（Synchronous Digital Hierarchy）同步数字体系 CCITT推荐的标准 STM-1（Synchronous Transport Module）同步传送模块基本速率为155.52M b/s,SONET的OC级和STS级与SDH的STM级的比较,在40M b/s以下，北美的T1 T3和欧洲的E1 E3不同 在更高

12、速率的标准上，SONET和SDH基本相同,Tnbm P146 Fig. 2-37 SONET和SDH复用率,电话系统的数字化趋势,与模拟传输相比，数字传输具有明显的优势，所以电话系统数字化是发展趋势,电话系统由三部分组成： 本地回路：双绞线，模拟传输，1 km 10 km 主干线：交换局间的光缆，数字传输 交换局：交换设备，交换技术,交换设备,交叉点交换机 空间分隔交换机 时分交换机,交叉点交换机,纵横制交换机（crossbar）,交换设备,交叉点交换机 空间分隔交换机 时分交换机,空间分隔交换机,可以理解为组交换,交换设备,交叉点交换机 空间分隔交换机 时分交换机,时分交换机,核心是时隙互换

13、器（time slot interchanger ）,交换技术,电路交换 报文交换 分组交换,交换技术图示,第2章 物理层,传输介质 电话系统（PSTN） Internet 的本地接入,Internet 的本地接入,拨号接入 ADSL接入 Internet over Cable,拨号接入,家庭主机拨号上网示意图 MODEM 调制解调器,通过电话线路访问远程服务器 使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号 必须在某ISP注册成为合法用户 服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址,家庭主机拨号上网示意图,家庭主机通过拨号对远程服务器的访问 不归零制编码的数字数据（数字信号） ：A、

14、G 经MODEM调制后的数字数据（模拟信号）：B、F 经Codec 编码解码后的数字数据（数字/模拟信号）：C、D、E、H,MODEM pool,Tnbm P124 Fig. 2-23,B,C,E,A,G,H,F,D,数据传输需考虑的问题,任何传输介质在传输信号时都伴随着干扰（噪声）和衰减 噪声有热噪声和随机冲击噪声两种 衰减与信号的频率有关，频率越高衰减程度越大 由于数字信号中包含着大量的高次谐波，所以基带信号不适合作长距离和高速的传输 尤其应关注在电话系统中使用的是频分多路复用，人为地限制了每个信道的带宽为4k Hz,拨号接入,家庭主机拨号上网示意图 MODEM 调制解调器,通过电话线路访

15、问远程服务器 使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号 必须在某ISP注册成为合法用户 服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址,MODEM 调制解调器,MODEM包括调制和解调两个功能 调制方式有： 调幅 调频 调相 或是上述的组合 常用的调制解调器接口有RS-232、RS-449,调制解调器，简称：MODEM MOdulation and DEModulation,MODEM 调制解调器（续）,载波：1000 2000 Hz的正弦波 使用某种技术，让载波携带数字数据 调幅、调频、调相，或其组合 常用的协议 V.32： 6(1)b x 2400 = 14.4 kbps P129

16、 Fig. 2-26(b) V.34： 12 x 2400 = 28.8 kbps14 x 2400 = 33.6 kbps V.90： 当ISP为数字接入时，终端用户上行速率为 33.6 kbps，ISP的下行速率为56 kbps,Internet 的本地接入,拨号接入 ADSL接入 Internet over Cable,ADSL接入,DSL 数字用户线路 ADSL的接入模型 DMT 离散多音调调制,ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line,DSL 数字用户线路,对称线路： HDSL： 1.544 2.048 Mbps，2/4对双绞线，3 4 km

17、SDSL： 1.544 2.048 Mbps，1对双绞线，3 km 非对称线路： VDSL： 上行13 52 Mbps，下行1.5 2.3 Mbps1对双绞线，0.xx km ADSL： 上行64 k 1 Mbps，下行512 k 8 Mbps1对双绞线，3 5 km,DSL：digital subscriber line 使用常规的电话线路，本地局端的滤波器将限制带宽为4 kHz，但本地回路通常采用的是3类UTP，其实际带宽远远大于4 kHz 如局端滤波器的限制策略为按需可调，则给定的带宽可增加根据对上行、下行线路不同的带宽需求有多种不同的标准,ADSL接入,DSL 数字用户线路 ADSL的

18、接入模型 DMT 离散多音调调制,ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL的接入模型,Internet,用户侧,本地局,Ethernet 端口,滤波器,用户配线架,局端滤波器,交换机配线架,程控交换机,ADSL modem,ATU-R,ATU - C：ADSL Transmission UnitCentral ATU - R：ADSL Transmission UnitRemote,ADSL modem,ATU-C,A,B,F,G,E,D,C,采用曼切斯特编码、携带了数字数据的数字信号：A 携带了语音数据的模拟信号：C、E、F,经ADSL mo

19、dem 调制后的、携带了数字数据的模拟信号：B、D、G 多个信道，频分多路复用,ADSL接入,DSL 数字用户线路 ADSL的接入模型 DMT 离散多音调调制,ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line,DMT 离散多音调调制,DMT：Discrete MultiTone modulation 将本地回路的可用带宽（约1.1MHz)分成256个4312.5Hz的独立信道，信道0 给传统的电话，1 5保留，剩下的250个信道中一个给上行控制，一个给下行控制，其余全部用于数据传输，由提供者分配哪些给上行，哪些给下行,Tnbm P132 Fig. 2-28 采用

20、DMT调制的ADSL,常用的ADSL带宽分配,因为用户对Internet 的访问是不对称的，所以一般总是将80 90%的信道分配给下行，每个信道都是独立调制的,Internet 的本地接入,拨号接入 ADSL接入 Internet over Cable,Internet over Cable,社区电视系统 HFC 混合光纤电缆系统 HFC中的频谱分配 Cable MODEM ADSL与HFC的比较,Internet over Cable 基于社区电视系统,社区电视系统,社区电视系统的特点 覆盖面很大，系统之间用光缆连接 传播单向电视信号的一个共享系统 用同轴电缆作为传输介质，带宽可达750 M

21、Hz 作为Internet 接入的可能性 数据的双向传输 用户端的Cable MODEM,Internet over Cable,社区电视系统 HFC 混合光纤电缆系统 HFC中的频谱分配 Cable MODEM ADSL与HFC的比较,Internet over Cable 基于社区电视系统,HFC 混合光纤电缆系统,HFC：Hybrid Fiber Coax,Tnbm P171 Fig. 2-47(a) 混合光纤电缆系统,Internet over Cable,社区电视系统 HFC 混合光纤电缆系统 HFC中的频谱分配 Cable MODEM ADSL与HFC的比较,Internet ov

22、er Cable 基于社区电视系统,Downstream Data,HFC中的频谱分配,HFC保留了原有的TV及FM的广播功能 实现了数据的非对称双向传输，以作为Internet的接入,UpstreamData,FM,TV,TV,5 42,54 88 108,550,750 MHz,42 54M频段保留，凡高于此频段的都是下行信号，低于此段频的都是上行信号，其实，此频段是一隔离带,HFC中的频谱分配,每个下行信道占用6 8 MHz 用模拟方式传输，常用的调制方法是QAM-64，对质量特别好的信道也可用QAM-256 对6MHz信道，可用的数据传输率为36Mbps，去掉一些额外开销，一般为27M

23、bps 上行信道质量较差，一般用QPSK携带2位信息,Internet over Cable,社区电视系统 HFC 混合光纤电缆系统 HFC中的频谱分配 Cable MODEM ADSL与HFC的比较,Internet over Cable 基于社区电视系统,Cable MODEM,Cable MODEM与计算机的接口为Ethernet 在一个Headend管理下的、并由Cable连接的、所有计算机组成的是一个共享网络 共享站点的竞争发送不能采用CSMA/CD协议，因为站点无法对介质进行检测,Cable MODEM的初始化,Power On或Reset后，MODEM将监测下行数据流中由head

24、end为新站点提供的系统参数，并通过某一上行信道宣布它的存在 Headend 为新站点分配上行和下行信道（以后可能会调整）并通知（新站点的） MODEM MODEM发送一特殊的测距分组并等待应答，以测试自己到Headend 的“距离”（此过程为ranging）,以后将以此为依据，此距离以“时隙”（minislot）计，典型地，一个minislot 相当于8 bytes的传播延时 Headend 除分配上行、下行信道外，还为每个MODEM分配一个请求上行带宽的时隙号，可能会有多个MODEM共享一个时隙号，如共享时隙号的站点同时请求上行带宽，将发生冲突,计算机的一次发送过程,计算机用上行信道经MO

25、DEM向Headend发送一个请求分组，其中包含所需的时隙数（minislot）,然后等待应答（需等待的时隙数已知） Headend 通过下行信道应答（ACK），并通知计算机已 为之保留的时隙号，计算机在上行信道为其保留的时隙号内发送数据分组 如在等待的时隙数过后还未收到Headend的ACK应答，这意味着已发生冲突，此时将采用二进制指数后退法，随机选择一个需等待的时隙数后再次请求，以避免再次冲突,Internet over Cable,社区电视系统 HFC 混合光纤电缆系统 HFC中的频谱分配 Cable MODEM ADSL与HFC的比较,Internet over Cable 基于社区电

26、视系统,ADSL与HFC的比较,ADSL是基于电话系统 每个用户直接与局端连接，属星型拓扑 所承诺的速率是固定的，与当前的用户数无关 允许用户选择自己的ISP 如用户数增加或减少，操作简单，系统扩容投资相对较少 数据安全性比较能得到保证 由于ADSL（包括其它的xDSL都）与距离有关，所以有电话线的地方不一定都能提供ADSL服务,ADSL与HFC的比较（续）,HFC基于社区电视系统，属信道共享，但即使保留了原有的FM和TV频段，同轴电缆所提供用于数据传输的带宽还是很宽 并非每个用户都与Headend直接连接，属树型拓扑 标称的传输速率为10Mbps（Ethernet），但属共享信道 所提供的服务必须与某个具体的ISP合作，使用DHCP协议 如用户数增加或减少，操作相对复杂，系统扩容投资相对较大 由于属共享信道，所以数据安全性必须采用密码技术才能得到保证 与距离基本无关，凡有HFC的地方一般都能提供Internet服务,第2章 习题,Tnbm P177 #42、#43,