計算機網路3-物理層

物理層的主要任務

物理層的任務是，在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸位元流，盡可能使物理層上面的資料鏈路層感覺不到通信手段的差異，

具體任務是確定與傳輸媒體的介面有關的一些特性，包括：

機械特性：指明介面用接線器的形狀和尺寸、引腳數目與排列、固定和鎖定裝置等，

一個資料通信系統包括三大部分：源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方），

圖3. 1 資料通信系統的模型

物理層下的傳輸媒體

前面說過，物理層是在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸位元流，那么就必須要了解傳輸媒體都有什么，

傳輸媒體(transmission media)是資料傳輸系統中，發送器和接收器之間的物理通路，可以分為兩大類：導向傳輸媒體與非導向傳輸媒體，

導向傳輸媒體

①雙絞線

雙絞線(Twisted Pair)將兩根互相絕緣的銅導線絞合(twist)而成(這樣可以減少對相鄰導線的電磁干擾)，加上屏蔽層就是屏蔽雙絞線(STP)，

圖3. 2 雙絞線示意圖

絞合線可用于多種場合：

表3. 1常用的絞合線的類別、帶寬和典型應用

同軸電纜(Coaxial Cable)由導體同質芯線、絕緣層，網狀編織的外導體屏蔽層、保護塑料外層組成，其抗干擾特性好，廣泛用于傳輸較高速率資料，但目前已不常用，主要用在有線電視網的小區，局域網一般采用雙絞線進行傳輸，

圖3. 3同軸電纜的結構

光纖(optical fiber)通信十分重要，提高了資訊的傳輸速率，

原理：利用光纖傳遞光脈沖，有脈沖表示1，無脈沖表示0，由于可見光的頻率非常高，約為MHz的量級，因此一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬，

構造：光纖由透明石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯(直徑約8~100)、包層構成雙層通信圓柱體，入射角足夠大會出現全反射，使光沿著光纖不斷傳輸，全反射是因為，光從高折射率向低折射率傳播，折射角>入射角，

圖3. 4光線在光纖中的傳輸程序

光纖的特點：

通信容量非常大，常用的三個波段的中心分別位于850 nm, 1300 nm和1550 nm，所有這三個波段都具有 25000~30000 GHz的帶寬，可見光纖的通信容量非常大，

傳輸損耗小，對遠距離傳輸特別經濟，

體積小，重量輕，

非導向傳輸媒體

自由空間被稱為"非導向傳輸媒體"，主要有以下傳輸方式

要使用某段無線電頻譜通信，通常需要得到本國政府的許可，但一部分頻段可自由使用，美國的ISM(industrial, scientific, and Medical)頻段如圖示，中國的ISM頻段有6765-6 795 KHz，433.05-434.79 MHz，122-123 GHz等，而2.4GHz為各國共同的ISM頻段，

圖3. 5美國無線局域網使用的ISM頻段

信道復用技術

信道(channel)一般表示向某一個方向傳送資訊的媒體，有了傳輸媒體后，物理層需要對信道進行合理的分配，常用的方法之一就是信道復用(multiplexing)，

頻分復用、時分復用和統計時分復用

　　復用可以讓發送端的多用戶合起來使用一個共享信道通信，節省資源，這樣，需要在發送端添加復用器(multiplexer)，接收端添加分用器(demultiplexer)，

圖3. 6復用的示意圖

圖3. 7頻分復用與時分復用

以上兩種方式技術成熟，但是容易產生浪費，因為即使用戶沒在使用信道，還是占用著信道，于是有著一些改進方案，

圖3. 8統計時分復用的作業原理

波分復用與碼分復用

波分復用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的頻分復用，用一根光纖傳輸多個頻率很接近的光載波信號，可以使光纖的傳輸能力成倍提高，目前可以再一根光纖復用80路以上光載波信號，稱為密集波分復用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)，

圖3. 9波分復用的概念

碼分復用CDM(Code Division Multiplexing)(也常稱碼分多址CDMA (Code Division Multiplexing Access))讓用戶同時間使用同頻段通信，但每個用戶碼型不同，用戶之間不會造成干擾，抗干擾能力強，頻譜類似白噪聲，不易被敵人發現，

將每一個位元時間（發送1位元需要的時間）劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)，每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列，每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)，在實用的系統中是使用偽隨機碼序列，

例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011((-1 -1-1+1+1-1+1+1)，注意為了方便，習慣將0寫為-1,1寫為+1，

1：如發送位元1，則發送自己的mbit碼片序列：00011011

0：如發送位元0，則發送該碼片序列的二進制反碼：11100100

這樣可見，每個碼元要轉換為m位元碼片，因此占用頻帶寬擴為原數值的m倍，稱為擴頻(spread spectrum)通信，包括直接序列擴頻DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，和跳頻擴頻FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)，

圖3. 10擴頻通信(直接序列)的概念

數字傳輸系統

在早期電話網中，從市話局到用戶電話機的用戶線是采用最廉價的雙絞線電纜，而長途干線采用的是頻分復用FDM的模擬傳輸方式，與模擬通信相比，數字通信無論是在傳輸質量上還是經濟上都有明顯的優勢，目前長途干線大都采用時分復用PCM的數字傳輸方式，

脈碼調制PCM(Pulse Code Modulation) 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話，因歷史原因，PCM有北美的24路PCM(T1)和歐洲的30路PCM(E1)兩個標準，我國采用E1標準，速率為2.048Mbit/s，

PCM的大致程序：先對信號進行采樣，恢復出原來的電話信號，經過數模轉換后變為二進制碼元，稱為數字信號，而時分復用是指，將許多個話路的PCM信號用時分復用的方法分裝成幀進行傳輸，可達到更高的資料率，

PCM數字傳輸系統存在以下兩個主要缺點：

于是提出了同步光纖網SONET (Synchronous Optical Network)，并制定出了國際標準同步數字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)標準，一般認為二者是同義詞，

同步光纖網 SONET的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘，SONET為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構，對電信信號稱為第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，其傳輸速率是 51.84 Mbit/s，對光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1 (OC 表示Optical Carrier)，現已定義了從51.84 Mbit/s (即OC-1) 一直到9953.280 Mbit/s (即OC-192/STS-192) 的標準，

ITU-T 以美國標準 SONET 為基礎，制訂出國際標準同步數字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)，一般可認為 SDH 與 SONET 是同義詞，其主要不同點是：SDH 的基本速率為 155.52 Mbit/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊， (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當于 SONET 體系中的 OC-3 速率，

SONET/SDH標準的意義：

寬帶接入技術

寬帶技術可以提高用戶的上網速率，

用戶要連接到互聯網，必須先連接到某個ISP，在互聯網的發展初期，用戶都是利用電話的用戶線，通過調制解調器連接到 ISP 的，電話用戶線接入到互聯網的速率最高只能達到 56 kbit/s，美國聯邦通信委員會FCC認為只要雙向速率之和超過 200 kbit/s就是寬帶，從寬帶接入的媒體來看，可以分為有線寬帶和無線寬帶，

非對稱數字用戶線ADSL

非對稱數字用戶線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務，標準模擬電話信號的頻帶被限制在 300~3400 Hz 的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz，因此，ADSL 技術就把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用，

ADSL的傳輸距離取決于資料率和用戶線的線徑（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），所能得到的最高資料傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關，

ADSL的特點：

ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器，實作方法有多種，我國目前采用的方案是離散多音調(意思為多載波，多子信道) DMT (Discrete Multi-Tone)調制技術，采用頻分復用的方法，把 40 kHz -1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道，每個子信道占據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制，這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送資料，

圖3. 11DMT技術的頻譜分布

基于ADSL的接入網由數字用戶線接入復用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)，用戶線，用戶家中的設施組成，注意用戶線兩端安裝了ADSL調制解調器，又稱接入端接單元ATU (Access Termination Unit)，電話分離器PS連接ATU，利用低通濾波器將電話信號和數字信號分開，

通過ADSL，可以利用現有電話網的用戶線，十分方便，目前已經有第二代ADSL，包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5），通過提高調制效率得到了更高的資料率，采用了無縫速率自適應技術 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，自適應地調整資料率，改善了線路質量評測和故障定位功能，對提高網路的運行維護水平具有非常重要的意義，

圖3. 12基于ADSL的接入網的組成

光纖同軸混合網(HFC)

HFC (Hybrid Fiber Coax)網是在目前覆寫面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬帶接入網，除可傳送 CATV 外，還提供電話、資料和其他寬帶互動型業務，

現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網路，它采用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸，而HFC 網需要對 CATV 網進行改造，

主要特點有：

圖3. 13HFC網的結構圖

FTTx 技術

FTTx 是一種實作寬帶居民接入網的方案，代表多種寬帶光纖接入方式，

FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…），例如：

光纖到戶 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設到用戶家庭，可能是居民接入網最后的解決方法，

光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進入大樓后就轉換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶，

光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：光纖鋪到路邊，從路邊到各用戶可使用星形結構雙絞線作為傳輸媒體，

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