计算机网络基础：物理层

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物理层

基本概念

  • 考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

  • 尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

  • 用于物理层的协议也常称为物理层规程

四大特性

  • 机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目等
  • 电气特性：接口电缆的各条线上出现的电压范围
  • 功能特性：某一电平的电压的意义
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序

数据通信系统

数据

运送消息的实体，通常是有意义的符号序列

信号

数据的电气或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

  • 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的

  • 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的

码元

用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中的数字信号的计量单位。

k 进制码元

1 码元可以携带多个比特的信息量。如在使用 2 进制编码时，只有 2 种不同的码元， 那一个码元只能是 1 或者 0 ，对应的二进制也是 1 位的 1 或者 0 。而在 4 进制编码时，有 4 种不同的码元，那一个码元可能是 0 1 2 3，对应的二进制是 00 01 10 11，也就是每个码元可以传输 2 比特的信息。

码元的传输速率

单位时间内传输的码元数量，单位位 波特 （ Baud ）。码元的传输速率与进制无关。

信息传输速率

单位时间内传输的二进制码元的个数，即为比特数，bit/s，与码元的进制数有关。

信道

分类

  • 单工通信
  • 半双工通信
  • 全双工通信

信道的极限传输速率

奈氏准则

  • 理想条件下
  • 避免码间串扰

信道的极限传输速率的上限值：

C=2W⋅log⁡2VC = 2W \cdot \log_{2}{V}

  • 单位为 bit/s
  • 也可以化为 2W2W Baud（码元的极限传输速率）
  • W为信道带宽
  • V为码元信号的有效值个数（比如 4 进制码元有效值就是 24=162^4 = 16）
  • log⁡2V\log_2V 称为为码元携带的信息量（就是 n 进制码元中的 n）

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

  • 记作 S/N 。S/N 就是一个数值，没有单位
  • 可以转化为分贝（ db ）来度量

信噪比(dB)=10log⁡10(S/N)(dB)信噪比(dB) = 10 \log_{10}{(S/N)}(dB)

当 S/N = 10 时，转化为 dB 即为 10 dB

S/N=10dB/10S/N = 10^{dB/10}

香农公式

  • 带宽受限
  • 有高斯白噪声
  • 极限、无差错的信息传输速率

C=Wlog2(1+S/N)C = Wlog_2(1+S/N)

  • 单位 bit / s
  • W : 信道带宽
  • S : 信道内信号的平均功率
  • N : 信道内高斯噪声的平均功率
  • S / N 仍是比值，一个数值，没有单位

香农公式表明：

  • 只要信息传输速率小于信道的极限信息传输速率，就一定能找到方法实现无差错传输。

传输媒介

  • 导引型：电磁波被导引沿着固体媒体传播。
    • 双绞线
      • 屏蔽双绞线 STP
      • 无屏蔽双绞线 UTP （常用 5 类线）
    • 同轴电缆
    • 光纤
      • 多模：不适合长距离传输
      • 单模
  • 非导引型：在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常成为无线传输。
    • 短波
    • 微波（5G）

设备

中继器

RP repeater

  • 完全相同的两个网络互连
  • 对信号进行再生和还原的网络设备

集线器

  • 对信号进行再生放大转发
  • 采用广播发送

信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

FDM

频分复用

  • 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
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TDM

时分复用

  • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

  • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。

  • TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。

  • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

  • 可能造成线路资源的浪费（计算机传输数据的突发性）

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STDM

统计时分复用

  • 按需动态地分配时隙
  • 比 TDM 提高了线路利用率

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WDM

波分复用

  • 光的频分复用

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CDM

码分复用

  • 码分多址 CDMA
  • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
  • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

码片序列

  • 将传输一个比特的时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。

  • 每个站分配一个唯一的 m bit 码片序列

    • 发送 1：发送这个码片序列
    • 发送 0：发送这个码片序列的反码

    例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
    发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
    发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

    S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

  • 假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 m*b bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。

  • 扩频通信的一种。

  • 码片序列必须各不相同且互相正交

    • 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

  • 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。

  • 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积 (inner product) 等于 0

    S \cdot T &=& 0 \\ S \cdot S &=& 1 \\ S \cdot S' &=& -1

CDMA 工作原理

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接收端若想接收 S 站发送的信号，则用 S 站的码片序列与信号进行规格化内积，得到的结果即为 S 站发送的比特信息。