第2 章 物理层

网络协议模型最底层的物理层：该层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电气、时序、和其他接口

2.1 数据通信理论基础

一般情况下对导线而言，在0到某个频率fc 的这段范围内，振幅在传输过程中不会衰减，而在截止频率fc 之上的所有频率的振幅都有不同程度的减弱。这段在传输过程中振幅不会明显减弱的频率的带宽称为带宽（bandwidth).实际上截止频率并没有那么尖锐，所以，通常引用的带宽是指从0到使得接收能量保留一半 的那个频率位置。

带宽是传输介质的一种物理特性，通常取决于介质的构成，厚度长度等。因为带宽是指通过的频率的宽度，其所承载的信息仅仅取决于这个频率的宽度而不是频率的其实位置和终止位置。一般将从0到某个最大频率的信号称为基带（baseband)信号，将被搬移并占用某个更大频率范围的信号称为通带（paseband)信号。

限制了带宽也就限制了数据传输频率。带宽（bandwidth)：模拟带宽的单位是Hz，数字带宽表示一个信道的最大数据速率，以没面多少个比特（bps)来计量。

2.1.3 信道的最大数据速率

奈奎斯特证明：如果任意信号通过了一个带宽为B的低通滤波器，那么只要进行美妙2B次（确切）采样，就可以完全重构出被过滤的信号。由于通过样值能恢复出来的高频成分已经被滤掉了，所以高于每秒2B次的采样毫无意义。如果信号包含了V个离散等级，则内奎斯特定力为：

最大数据速率=2Blog2V(比特/秒）

如果存在随机噪声。热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来度量，这个比值称为信噪比（SNR,signal to noise ratio)

香农的重大成果是：对于一条带宽为BHz，信噪比是S/N的有噪声信道，其最大数据速率或容量是：

最大比特率=Blog2(1+S/N)

2.2 引导性传输介质

物理层的作用是将比特从一台机器传输到另一台机器。实际使用的引导介质大致分为引导介质和非引导介质（无线）；

1. 磁介质：磁带
2. 双绞线（twisted pair)：由两根缠绕在一起，不同电线产生的干扰波会相互抵消，从而能显著降低电线的辐射。
3. 同轴电缆（coaxial cable):其比非屏蔽线有更好的屏蔽特性和更大的带宽，所以能以很高的速率传输相当长的距离。
4. 电力线
5. 光纤（fiber):光纤通信中最常用的三个波段，他们分别集中在0.85um,1.30um和1.55um处，所有三个波段都具有25000~30000GHz的带宽。

2.3 无线传输

2.3.1 电磁频谱

在真空中，所有的电磁波按同样的速度传输，根他们的频率无关，这个速度通常为光速（c=3∗108m/s)

香农定理可知，一个电磁波的信号能携带的信息量取决于接受能量，并且与带宽成正比。

扩展频谱策略：

1. 跳频扩频（frequency hopping spread spectrum):发射器以每秒几百次的速率从一个频率跳到另一个频率。
2. 直接序列扩频（direct sequence spread spectrum):直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将”1”用11000100110，而将”0”用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成”1”是00110010110就恢复成”0”，这就是解扩。 该项技术能是多个信号共同享用统一频谱效率方法，即码分多址（CDMA,Code Division Multiple Access).
3. 超带宽通信（UWB,Ultra-WideBand ):UWB发送一些列快速脉冲，这些脉冲随着通信信息而不断变化自己的位置，这种位置变化导致信号被稀疏分布在一个很宽的频带上。

2.3.2 无线电传输

无线电频率（RF,Radio Frequency):传输距离长，且容易穿透建筑物，且全方向传播。

无线电的特性和频率有关：在低频部分，无线电波能够很好的穿透障碍物；但是随着里信号源越来越远，其能量急剧下降。因为信号稀疏的分布在大面积的表面，在空中传播时信号能量至少以1/r2的速度衰减。这种衰减称为路径损耗（path loss)。在高频部分，无线电波倾向于以直线传播，并且遇到障碍物会反弹回来。

在VLF,LF和MF波段，无线电波沿着地面传播，在HF,VHF，地面波会被地球表面吸收。

2.3.3 微波传输

在100MHz以上，电磁波几乎按直线传播，因此他们可以被聚集成窄窄的一束。微波不能很好的穿透建筑物，即使在发射器已经聚集成束，它在空中传播时仍然会有一些发散。有些微波会被过低的大气层折射回来，比直接传播更远。延迟抵达的微波与直接传输的微波可能不同，因而信号会相互抵消。这种传播效果称为多径衰落（multipath fading).多径衰落与天气和频率有关。

工业科学医学（ISM,Industrial,Scientific,Medical)(非许可频段）

2.3.4 红外传输

非引导性的红外波广泛用于短程通信。红外线的传播具有方向性，便宜，但不能穿过固体物体，安全性能好。

2.3.5 光通信

非引导性光火自由空间光学通信。

2.4 卫星通信

• 地球同步卫星（GEO,Geostationary Earth Orbit):35800高空，通信卫星
• 中地球轨道卫星（MEO,Medium Earth Orbit):大约6小时绕地球一周，同于GPS导航领域
• 低地球轨道卫星（LEO,Low Earth Orbit):运行速度极快，需要大量卫星。距离近，发射功率低。”铱星计划”,

2.5 数字调制与多路复用

有线和无线信道运载模拟信号，模拟信号可以表示成诸如连续变化的电压，光照强度或声音强度。为了发送数字信息。我们必须设法用模拟信号来表示比特。比特与代表他的信号之间的转换过程称为数字调制（Digital modulation).

基带传输（baseband transmission)：信号的传输占有机制传输上从零到最大值之间的全部频率，而最大频率则取决于信号速率。这是有线介质普遍使用的一种调制方法。
通带传输（passband transmission):信号占据了以载波信号为频率中心的一段频带，这是无线和光纤信道最常用的调制方法。因为这样的传输介质只能在给定的频带中传输信号。

多路复用技术（multiplexing):信道通常被多个信号共享，其可以通过几种不同的方式实现，时分复用，频分复用和码分复用。

2.5.1 基带传输

符号率（symbol rate):信号改变的速率

比特率（bit rate):符号率与每个符号的比特数的乘积，其较早称谓为波特率。

2.5.2 通带传输

天线的大小与信号的波长成正比。
正交调幅（Quadrature Amplitude Modulation ）
格雷码（Gray code)：相邻两个符号只有一个比特的位置不同

2.5.3 频分复用

频分复用（FDM,Frequency Division Multiplexing):将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。

正交频分复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing):：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 。

2.5.4 时分复用

时分复用（TDM,Time Division Multiplexing):采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性的获得整个带宽非常短的一个时间。

2.5.5 码分复用

码分复用（CDM,Code Division Multiplexing):每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干拢能力强.

2.6 公共电话交换网络

波分多路复用（WDM,Wavelength Division Multiplexing):将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。其与FDM没有区别，只不过是在极高频率上的多路复用。

2.6.5 交换

• 电路交换（circuit switching)：
  
  1. 信息传送的最小单位是时隙；
  2. 面向连接；
  3. 同步时分复用；
  4. 信息传送无差错控制；
  5. 基于呼叫损失的流量控制；
  6. 信息具有透明性。电路交换的特征:　((电路交换中电路可能是固定存在的，也可以是根据需要建立的。)
• 包交换：一种传送数据的方法，它把许多彼此无关的操作包在一起，同时在通讯信道上选择路由发送（常用电话线），以充分利用线路。相关包在目的地重新组装起来。

2.7 移动电话系统

1. 第一代移动电话（1G): 模拟语言
   频分双工（FDD,Frequency Division Duplex)：是指上行链路和下行链路的传输分别在不同的频率上进行。
2. 第二代移动电话（2G): 数字语音
   全球移动通信系统（GSM,Global System for Mobile communications):
   用户识别模块（SIM,Subscriber Identify Module),SIM卡，一个含有用户和账户信息，并包含了移动电话和网络相互识别对方和加密所需通话的机密。
   移动电话通过空中接口与蜂窝基站通话。每个蜂窝基站都连接到一个基站控制器（BSC,Base Station Controler),该控制器控制蜂窝的无线资源分配并处理切换事物。访问位置寄存器（VLR,Visitor Location Register)数据库：其包括了所有附近 移动电话。归属位置寄存器（HLR,Home Location Register):记录每个移动电话的最后位置。
3. 第三代移动电话(3G):数字语音和数据
   (1)宽带码分多址（WCDMA,Wideband Code Division Multiple Access),由爱立信提出并获得欧盟推进，称为全球移动通信系统（UMTS,Universial Mobile Telecommunications System).
   (2) CDWMA2000,由高通公司提出，

CDMA的优点：1. 可提升容量，利用发射器静默时的小周期优势
2. 每个蜂窝可使用相同的频率，消除了复杂的频率规划，也提高了系统容量。利于基站使用多个定向天线或扇形天线（sectored antennas),而不是必须使用全向天线。3. CDMA使用软切换

增强数据率的GSM演进（EDGE,Enhanced Data rates for GSM Evolution),,它仍然是GSM,只是每个符号运送更多的比特，但意味着更多的错误。

4G取名长期演进（LTE,Long Term Evolution)

2.8 有线电视

1. 公用天线电视（Community Antenna Television)
2. 线缆上的Internet
3. 频谱分配：FDM频分复用
4. 线缆调制解调器（Cable modem) :两个接口，一个连接计算机，一个连接有线电视网络。

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摘自 《 计算机网络》 第五版 Andrew S. Tanenbaum 严伟 第二章