Transcript 第二章：物理层
Chapter 2 The Physical Layer The Theoretical Basis for Data Communication • • • Fourier Analysis Bandwidth-Limited Signals Maximum Data Rate of a Channel Fourier Analysis n 1 n 1 g (t ) 0.5c an sin(2 nft ) bn cos(2 nft ) 1 T 2 T 2 T an g (t ) sin(2 nft ) dt bn g (t ) cos(2 nft ) dt T 0 T 0 f a) b) 2 T c g (t ) dt T 0 Fourier发现周期信号可以分解 有限时间数据信号可以认为是不断重复相同模式的信号 Bandwidth-Limited Signals 信号01100010 及其部分频率的平方根振幅. 带宽描述为传输过程中振幅不会明显减弱的频率范围0到fc (b) – (c) 仅通过1次和2次谐波时合成的信号. Bandwidth-Limited Signals (2) (d) – (e) 通过4次和8次谐波时合成的信号. Bandwidth-Limited Signals (3) 数据传输速率x bps意味每比特需要需要1/x s 如果每次传输8比特，则周期为8/x s，基频为x/8 给定带宽fc，则可传输8fc/x谐波 语音级线路 带宽稍大于3000Hz Maximum Data Rate of a Channel • • • • Nyquist 带宽为H，无噪 最大数据传输率 ＝ 2Hlog2V (位/s) S/N 衡量热噪声 分贝 10lgS/N; 3dB大约是S/N＝2 Shannon 带宽为H，信噪比S/N的有噪信道 最大数据传输率=Hlog2(1+S/N) Guided Transmission Data • • • • Magnetic Media Twisted Pair Coaxial Cable Fiber Optics Magnetic Media 一辆满载磁盘，在高速公路上飞驰的货车！ 带宽性能好、延迟大 距离不限 可用于银行系统备份 Twisted Pair (a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP. 几公里的传输距离 几M的带宽，3类线4对16M，5类线100M 可用于电话系统，1根铜线直径约1mm Coaxial Cable A coaxial cable. 现代电缆带宽1G 传输距离：很长距离（约5公里） 可用于城域网和有线电视 50同轴电缆 75 同轴电缆 Fiber Optics (a) 一束光按照不同的角度从氧化硅内部射到 空气/氧化硅界面. (b) 通过完全内部反射，光线在光纤内部传播 约50公里的传输距离（孤波->消除色散-> 数千公里） 理论带宽>50 000Gbps，实验室100G，实际几个G 可用于骨干网 多模光纤 单模光纤（100公里50G） Transmission of Light through Fiber 红外区域的光通过光纤时的衰减 每公里衰减的分贝＝10lg（发送的能量/接收的能量） 0.8510-6m 1.30 10-6m 1.55 10-6m 25000 － 30000GHz Fiber Cables－1 玻璃芯 保护套 50um 8-10um 玻璃封套 塑料外套 低折射率 (a) 单根光纤结构. (b) 三根光纤封起来的截面. 地表1米以内、海岸处电缆沟内、深水处水底 连接器（光损10-20%）、机械（5分钟 光损10％）、融合 Fiber Cables －2 半导体激光光源 vs. LED光源. 光源－>(Fabry-Perot干涉计或Mach-Zehnder干涉计) －>光纤－>光敏二极管(响应时间1ns) Fiber Optic Networks－1 有源光纤网络 传输距离几乎不受限制 存在全光中继器 比较脆弱 Fiber Optic Networks －2 无源星型连接 计算机的数量受限制 光纤 vs. 铜线 • • • • • • • • • • 带宽（几个Gbps vs. 小于3Gbps） 传输距离（50km vs. 5km） 电磁干扰（不受影响vs. 受影响） 重量 （光纤很轻） 铜线可以回收（铜资源） 安全性（光纤难以搭线窃听） 熟悉度（光纤较陌生） 施工容易程度（光纤被弯曲时容易损害） 传输方式（光纤单向传输） 成本（光纤接口成本高） Wireless Transmission • • • • • 电磁波谱 无线电传输 微波传输 红外线和毫米波 光波传输 电磁波谱 f =c • • • • • 电磁波频率 f 电磁波波长 光速 c=3108m/s f(106Hz) (m)=c/106=300，例100MHz波长为3米 f ＝ c / 2 例1.30um处，若 ＝0.17um，则 f ＝30THz 窄带 vs. 宽带 窄带 f / f<1 （单位Hz获得更多能量） 宽带 跳频扩频 直接序列扩频 • • • • • 保密、抗噪等目的 The Electromagnetic Spectrum 电磁波谱及其在通信中的用途. Radio Transmission (a) VLF, LF, MF 波段，电波沿地表传播，容易穿透建筑物 (b) HF 波段，电波被电离层折射，可长距离通信 无线电波全方位传输 能量衰减空气中大致是1/r2 政府管制无线电 微波传输 • 100MHz以上频段，电波几乎按照直线传播 • • • • • • 发射端和接收端天线必须精确对其 需要中继塔，塔间距正比于塔高的平方根 不容易穿透建筑物 存在多径衰减 4G左右的频段微波会被雨水吸收 相比于光纤的优点 • • 不需要路权 相对比较低廉 电磁波谱的政策 • 政府为一些用途和组织分配电磁波频谱 • ITU-R为全球协调分配方案 •选择承运商的方法 •选美 •抓阄 •拍卖 •功率管制IMS频段 •工业、科学、医药 •900M无应用、2.4G微波炉.雷达、5.7G 802.11a 红外线和毫米波 • • • • 短距离通信 有方向性、便宜、易于制造 红外线不能穿透墙壁，防窃听性稍好 经营红外不需要政府许可 Lightwave Transmission • • • 高带宽、低成本 激光束很细 不能穿透雨或浓雾、气流也会干扰 Lightwave Transmission 气流会干扰激光通信，上图为双向系统 Communication Satellites • • • • 月亮反射信号 人造卫星 • 先放大信号再传输 • 异频发射应答器 • 弯曲的管道 卫星轨道周期 • T=K/a3/2, a为轨道半长轴 • 地表 90分钟 • 35800km 一昼夜 • 384000km 一个月 范艾伦带 • • • • 地球同步卫星 中间轨道卫星 低轨道卫星 卫星 vs. 光纤 Communication Satellites 类型 高度 延迟 卫星的数量 上范艾伦带 下范艾伦带 通信卫星和他们的一些特性，包括离地球的高度、上下 往返的延迟时间、为覆盖整个地球所需要的卫星数 地球同步卫星 •1945年科幻小说家首先描述了地球同步卫星 •1962年第一个GEO卫星(Telstar)升空，太空开始有利可图 •轨道槽 •GEO间距需要大于2以避免干扰 •ITU分配轨道槽 •频率资源 基本的卫星频段. 地球同步卫星 • 卫星的命运 • • 新升－>太阳能电池板产生电能－>火箭发动机保持站位－>火箭燃料耗尽 －>死亡 卫星的带宽 • • • 异频发射应答器40个、每个80M带宽 以FDM方式或者TDM方式划分信道 卫星的足迹（覆盖范围） • • • 一个空间波束，地表1/3 点波束，可以聚集到很小的地理区域 接收卫星信号 • • • VSAT低成本微型站，1W功率，1m天线，19.2k/512kbps 特殊hub地面站，具有高增益天线 卫星传输的特点 • • • 典型值270ms，微波链路3us/km，同轴电缆和光纤5us/km 天然的广播介质 传输的成本与地表距离无关 使用中心站的VSAT 此时典型延迟值是540ms 中间轨道卫星 功率弱一些的发射器也可以到达中间轨道卫星 24颗GPS卫星的轨道大约在18000km高度 范艾伦带内层距赤道3000-6000公里 外层距赤道20000-25000公里 Low-Earth Orbit Satellites 铱计划 (a) The Iridium satellites from six necklaces around the earth. (b) 1628 moving cells cover the earth. • 延迟很低，几个ms • Motorola于1990年开始铱计划，1997年升空，1998年服务，1999年8 月破产，卖2千5百万，2001年重新服务 • 高度750km，6条项链，66颗卫星，1628个点波束，253440个信道 Globalstar (a) 太空中转发信号. (b) 地表上转发. • 48颗低轨道卫星 • 使用传统的弯曲管道技术 • 在地面上完成路由 其它计划 • • • • • • • • • • • 288颗卫星的Teledesic ，原设计中是840多颗 30颗卫星的Teledesic 选定了MEO 波音公司曾经是Teledesic 系统的主要投资者 3个月后，波音公司的位置被摩托罗拉公司替代 阿尔卡特（Alcatel）公司支持的“天桥”计划 SkyBridge 休斯公司的“太空之路”（Spaceway） 洛克希德－马丁公司的“宇宙链路”（Astrolink） 劳拉公司的“计算机星”(Cyberstar) 已经取消针对消费者市场的宽带系统计划，而只是为公司的宽带业 务保留下Cyberstar这个名字。 洛克希德－马丁公司因资金筹措方面的困难放弃了Astrolink。 接替休斯公司的波音公司则还是计划继续研制一套缩减了3颗卫星 的Spaceway系统，不过发射日程仍不确定。 卫星和光纤 • • • • • • 普通的用户可以直接使用卫星服务 移动通信领域，在空中或者海上使用卫星服务 传输模式为广播的场合 恶劣地形或者地面设施很差的地区 很难获得路权的地区 快速部署 • 未来的主流通信会是地面光纤与蜂窝无线通信的结合， 对某些特殊用途，卫星通信更有优势 关键在于价格 • Public Switched Telephone System • • • • • Structure of the Telephone System The Politics of Telephones The Local Loop: Modems, ADSL and Wireless Trunks and Multiplexing Switching 电缆经过公共道路不可能时，网络设计者只好使用已有的电信 设施，或者某个宽带卫星计划成功？！ Structure of the Telephone System (a) Fully-interconnected network. 成对的电话 (b) Centralized switch. 贝尔电话公司的交换局 (c) Two-level hierarchy. 交换局连接起来 Structure of the Telephone System (2) • 端局 本地中心局 • 本地回路 • 长途局 汇接局 • 长途连接干线 • 内部长途中继线 中距离电话的基本路径. Major Components of the Telephone System • 本地回路 • Analog twisted pairs going to houses and businesses 干线 • Digital fiber optics connecting the switching offices 交换局 Where calls are moved from one trunk to another 电话业中的政治学 LATAs, LECs, IXCs关系. • • • • 圆圈是LEC交换局，每个六边形属于某一个IXC LEC本地交换承运商 IXC跨区域交换承运商 LATA本地访问和传输区域 The Local Loop: Modems, ADSL, and Wireless 计算机通过Modem接入网络的典型结构图. 本地回路 • • 传统上使用铜线传输模拟信号 存在三个主要问题 • • • 衰减：传播过程中的能量损失，不同谐波衰减程度不同 畸变：信号的不同谐波传播速度的差异造成 噪声 • • • • 热噪声 串音 脉冲噪声 最后一英里的战争 • • • • 802.11 WiFi 802.16 WiMax 光纤到户 ADSL 调制解调器的调制方法 (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation 调制解调器 • • • • Baud 每秒钟采样的次数 Symbol 每次采样生成的符号 位传输率 每秒钟传输的bit的数量＝Baudlog2|symbol| 高级调制解调技术 • • • • • 星座图（拥有相同星座图的modem可互相通信） TCM格子架编码调制 使用了1位完成奇偶校验 • • • QPSK QAM16 QAM64 V.32(4) V.32bis(6) V.34(12) V.34bis(14－>33.6kbps) 全双工、半双工、单工 V.90(33.6k/56k)，V.92(48k/56k) 调制解调器QAM星座图 (a) QPSK. (b) QAM-16. (c) QAM-64. 请问QAM64这种调制技术提供全双工信道时需要多少频率？ TCM星座图 (a) (a) V.32 for 9600 bps. (b) V32 bis for 14,400 bps. (b) 作业 4 8 12 18 19 23 数字用户线路－1 • • • 有线电视和卫星公司的竞争 电话公司的解决方案：宽带 300－3400Hz的语音级线路 • • 人为的滤波器 xDSL • • • • 去掉人为限制，接入另外一种交换机 受到本地回路的长度、粗细等因素影响 设计目标包括：月租、带宽>56kbps、本地回路和客户设备不变 3类线用于DSL时距离与带宽的关系和电话公司的受限服务. 数字用户线路－2 3类线用于DSL时距离与带宽的关系 数字用户线路－3 • ADSL • • • 标准ITU G.992.3, G.992.5, 和 ANSI T1.413-Issue 2 三个频段：POTS、上行、下行 DMT：离散的多信道调制 使用DMT的ADSL频谱划分方案 P110-111 数字用户线路－4 分离器 模拟滤波器 网络接 口设备 数字用户线路 访问复用器 ADSL调制 解调器 ADSL 部署结构 另外也有不需要分离器的设备，标准G.Lite. 无线本地回路－1 • ILEC与传统本地电话公司竞争 • • • • • • 新端局 安装设备，电话交换机等 连接端局与长途局 广告宣传 ？如何连接顾客的电话机和端局 WLL，无线本地回路 • • • • 高速Internet接入，>ADSL 接收端需要有向天线 用户固定 实用的WLL • • MMDS，多信道多点分发服务，198M频谱，2.5GHz LMDS，28~31GHz频点附件，1.3GHz带宽 无线本地回路－2 多个天线 LMDS系统的结构. 2－5km 无线本地回路－3 • 方圆5公里，10万用户 • • • 每个活动用户每分钟下载三个3个5KB大小的页面，则该用户 平均占用36M带宽中的2000bps，使得每个扇区最多容纳18000 个活动用户。考虑到延迟，每个扇区容纳9000个活动用户，则 四个扇区有36000个用户，按照1/3激活率计算，可容纳用户总 数约10万 3×5×210×8÷60＝2048bps LMDS的问题： • • • • 毫米波直线传播 树叶遮挡 雨水吸收 WLL标准 • 802.16无线MAN 干线和多路复用 • 在一条物理干线上尽可能地并发传输多个会话 • • 路权很贵！ 多路复用方案 • • FDM：每个广播台拥有AM频段的一个逻辑信道 TDM：同一电台不同时间的节目表 FDM & TDM 例 FDM 4 用户 频率 时间 TDM 频率 时间 FDM (a) 原来的带 宽 (b) 被升频之 后的带宽 (b) 复用之后 的信道 • 一种广泛使用的标准 • • • 群：12个4000Hz语音信道复用到60～108kHz 超级群：5个群复用 主群：5或者10个超级群 波分多路复用－FDM的一种 • 提升光纤利用率 • • • WDM • • • 1990年前后出现，第一个商用系统8条信道，每条带宽2.5G 2001年，96条信道，每条信道10G DWDM • • • 光纤的理论带宽25000GHz 单根光纤利用率通常只有几个G 波长的间隔小于0.1nm 全光放大器，1000公里一次 具有交换功能的WDM系统 波分多路复用 P116 时分多路复用 FDM适用于模拟信号 Asin(fct+) TDM适用于数字数据 模拟信号的数字化 • • • • • • • 模拟信号量化，例如256个量化区间 每个采样点如果用256个值中一个表示，需要8位的序列 语音级模拟信号4kHz，8000采样速率（PCM脉冲编码调制） T1线路 • • • 轮询24个信道的模拟信号，每个信道占用时间小于125us/24 每125us产生193比特数据，数据传输率1.544Mbps 193位用于同步，模式是0101010101… • • 第k-1个125us同步位取0，则第k个125us同步位取1，k+1取0。。。 T1数字线路 • 数字用户可能产生同步用模式，所以单独使用8位来完成同步 T1线路 CCITT：8位数据位 公共信道信令：原成帧位现在在尾部，奇数帧成帧，偶数帧信令 关联信道信令：私有的信令子信道，每个信道每6帧用1位 E1线路: 32信道，2个信道用于信令，每4帧一组完整信令，一半 成帧、一半同步 编码 • • 量化256阶模拟信号需要8位序列 差分脉冲编码调制 • • 两个相邻信号的差在256阶量化中差距一般不会超过16，所以 5位足够 增量调制（下页图） • • 每个采样值与前一个值相差1，一种可能方法是比较采样点大 小，决定输出1或者－1 预测编码 • 根据已经编码的少量值来预测下一个值 增量调制 P119 高阶复用 SONET/SDH • 标准化的光纤TDM • • 早期光纤复用为TDM 1989年形成SONET和CCITT G.707/8/9建议——SDH • • 注1990年前后WDM发明 设计目标 • • • • • 公共信令标准，统一承运商光纤网 统一美、欧洲、日本的数字系统 复用多条数字信道 支持操作Operation、管理Administration、维护Maintenance 同步系统 • • • 发送方和接收方受限于一个公共的时钟 125us传输810字节，8000×810×8＝51.48M：STS-1信道 STS：同步传输信号 两个背靠背的SONET帧 P121 SPE: 同步净荷包封（用户数据） SONET/SDH复用层次 P122 如果只传输来自一个源的数据，后面加c，例如OC-3c 交换 • • 电话系统包括本地回路，干线，交换局 交换局：交换机：两种不同的交换技术 • (a)电路交换:发送方连向接收方的概念上的物理路径 • • 建立连接、独享 (b)分组交换 P123 报文交换 (a) Circuit switching (b) Message switching (c) Packet switching 存储－转发网络：撕断纸带式交换局：数据块大小没有限制 交换机缓存需求大，线路占用情况严重 分组交换 与数据报交换相比：低线路占用时间，低延迟，高吞吐量（上页图c） 诸多比较点：P125-127 移动电话系统 • • 无绳电话 vs. 移动电话 移动电话 • • • • • • 1代模拟通信 2代数据语音 3代数字语音和数据 标准的作用 号码的作用 消费习惯 1代模拟通信 • • • 一个发射器，一个频率：push-to-talk system MTSO/ IMTS：一个发射器，两个频率 MSC AMPS：高级移动电话系统 • 蜂窝单元：通常10－20km，一组频率，10－15呼叫/频率 微蜂窝 单元 BS Handoff:软切换、硬切换 P130 1代模拟通信 • AMPS • 信道 • • • • • • • 信道类型 • • • • • 832个全双工信道 每个双工信道包含一对单工信道 发送信道频率范围824－849 接收信道频率范围869－894 每个单工信道30kHz 800MHz左右存在吸收和反射情况 控制（基站到电话） 呼叫（基站到电话） 访问（双向） 数据（双向） 每个单元实际可用语音信道数目通常为45左右 1代模拟通信 • AMPS • • • 呼叫管理 PROM中有32位序列号和34位的10数字电话 注册 • • • • • 打电话 • • 电话开机，扫描预设的基站的21条控制信道，找到基站 电话发送66位比特串，注册自己的位置（15分钟一次） 基站接收到比特串，发送给MTSO MTSO记录下电话位置，并通知电话的主MTSO 用户呼叫－>BS－>MTSO分配信道－>电话切换信道－>用户 等待 接电话 • • 电话监听呼叫信道 MTSO接收到呼叫请求－>BS呼叫信道广播－>电话在访问信 道响应－>电话切换到信道－>响铃 2代数字语音 • • • D-AMPS 850MHz频段和1900MHz频段， 美国和日本 每个信道依旧是30kHz 数字化的好处 • • 语音信号数字化－>压缩至约8kHz或4kHz 3个或者6个用户可以时分复用一个信道 1). 159×2×25＝7950bps; 2). 使用超帧承载控制信息； 3). 空闲时槽测量线路质量用于切换 GSM 87654321 上行信道890.2-914.8，124个信道，每个200kHz 时分复用8个用户 每个用户不能同时发送和接收信号，切换需要时间 图中阴影部分为890.4/935.4频点的手机，时槽2上行 隔4个时槽，时槽6下行 GSM －2 GSM成帧的层次结构，多帧概念 控制信道 P134-P134 CDMA •第三代移动通信的基础 •国际标准IS-95描述了CDMA •非时分、非频分、而是码分 • • 利用了一种简单的数学关系，正交序列 给定m位序列S和T，如果S=T，则ST= 1 m SiTi m i 1 =1，否则为0 •CDMA中每一位使用一个m比特序列表示，例如64位或128位 •如果信道带宽是1Mbps，纯FMD下100个站点，每个站点为10kbps， 当m序列为100位时，每个用户的有效数据发送率大约为10kbps • ?严格同步 • ?功率控制 • ?接收方确定发送方的码片 CDMA : m=8, A/B/C/D 4个用户 (a) 不同用户的时间片序列 (b) 使用+1和－1双极表示时间片序列 (c) A/B/C/D发送码片的情况 (d) 计算C用户发送的数据，0表示没有动作 蓝图 • IMT-2000 • • • • • • • • 高质量语音服务 消息服务 多媒体 Internet 访问 WCDMA CDMA2000 2.5G: EDGE(编码) GPRS（捆信道） 4G: 高带宽、全局可接入、无缝集成。。 满地的802.11接入点 有线电视 • • • • • 共天线电视 Internet over Cable 频谱分配 电缆调制解调器 ADSL vs. 电缆 共天线电视 一个大天线用于接收信号 一个头端用于放大信号 一根同轴电缆用于传输信号 • 发展轨迹 • 小型服务－>Home Box Office细分市场－>并构和规模化经营 Internet over Cable－1 HFC：光纤节点 单向放大器需要替换成双向放大器 Internet over Cable －2 与电话系统相比，一根同轴电缆上的用户共享带宽 而本地回路却只服务一个家庭 频谱分配 电视频段没有改变 利用550以上的频段做下行信道，同时可以QAM-64/256 编码 利用54以下的频段做共享上行信道，同时用QPSK编码 • 更换头端为CMTS，电缆调制解调器终端系统 电缆调制解调器－1 • • DOCSIS标准 工作流程 • • 扫描信道，获得系统参数 发送请求，要求分配上行和下行信道 • • • • 微时槽，上行分组的集装箱 测距，用于计算时间，确定微时槽的开始时间 发送分组给ISP，获得IP 认证，登陆 • 共享电缆中通过安全技术建立隔离信道 电缆调制解调器－2 北美地区的上行、下行信道的细节情况 ADSL与有线电视网 • 各有优缺点 • • • • • • • 作业 27 35 36 40 42 43