计算机网络 物理层/Physical Layer 第二章笔记

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2017年9月20日
08:54

写在前面

本笔记仅仅是本人在上课时的一些随手记录，并不完整也不完全正确。

如有错误，请在评论中或直接联系我指正，谢谢！

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Synchronous(同步)

有一个基准时钟信号

synchronous(异步)

没有基准，当需要传输信号时即传输

  • 异步传输：适合低速通讯

  • 模拟通信系统
    在模拟信号的基础上加入编码器和译码器（信源信道个需要一个）

  • 数字通信系统
    在模拟信号的基础上加入编码器和译码器（信源信道个需要一个）

数据传输的理论基础

傅里叶分析

有限带宽信号

谐波数选取越多，傅里叶分析之后得到的结果失真越小

（一般来说谐波数>=4）

信道的最大数据传输率

Concepts:

  • Bandwidth: the range of frequency
    带宽，又叫频宽，是数据的传输能力，指单位时间按内能够传输的比特数。数字设备中带宽用bps表示，模拟设备中用Hz表示

  • Symbol（码元）: one piece info., a sample（一个波特即为一个码元）

  • Baud rate (RB 波特率): The number of changes in the signal per second, number of sample/sec, symbol rate
    波特率，又称调制速率、传符号率（符号又称单位码元），指单位时间内载波参数变化的次数，可以以波形每秒的振荡数来横梁，是信号传输速率的度量。

  • Bit Rate (Rb 比特率): number of symbol/sec times number of bits/symbol
    码元速率和信息速率的关系式为：Rb=RB*log2(N)。其中，N为进制数

  • 理想低通信道
    最高RB=2H Baud。每秒2码元
    信号所有低频分量，只要频率不超过上限，则可不失真传输。

  • 理想带通信道：最高码元传输速率则是：RB=H Baud。每秒1码元
    带通：只允许上下限之间信号频率成分不失真的通过

公式：

  • Nyquist’s theorem
    任意信号通过一个带宽为B的低通滤波器，那么只要进行每秒2B次（确切）采样，就可以完全重构出被过滤的信号。
    高于2B毫无意义

maximum data rate = 2H log2 V bits/sec V：信号有V个不同离散等级

  • Shannon’s theorem
    maximum data rate = Hlog2 (1+S/N) bits/sec
S/N：10log（S/N）=dB 10，10
100，20

例子：
若现V=2，H=3000
尼奎斯特：

Rmax=2*Hlog2(V)=6kbps

Shannon:

Rmax=30Kbps

则取最小值

信号传输介质

双绞线

绞数越多，频繁，传输速率越快

同轴电缆：

  • 基带同轴电缆

  • 宽带同轴电缆
    中继器，在信号衰减严重之前对信号进行重新整形

铜芯、绝缘材料、导体网、保护性塑料套

电力线

问题：不同情况所采用的电线性质可能不同，高频信号衰减严重，且还未有国际标准

光纤：（单工）

单模，多模光纤

光纤的规格通常用玻璃芯与覆层的直径比值来表示。

单模光纤的传输率较高，但比多模光纤更难制造，价格更高。

光纤信号计算问题

Δλ：波长，波宽

Δf：频宽

Solution:

  • The data rate is 1024 ×768 ×24 ×60 bps, which is 1080 Mbps.

  • For simplicity, let us assume 1 bps per Hz.

we get Δ λ =λ^2 Δ f /c. We have Δ f = 1.08 ×10^9 , so Δ λ=6.08 ×10^(-10) microns. The range of wavelengths used is very short.

光源

LED性能差寿命长使用环境不严苛
半导体激光相反

Wireless Transmission

无线电传输

电磁频谱

光波通信

只能直线

有水蒸气的时候会影响通信

通信卫星

低频段受干扰小，但是带宽小，比较拥挤

高频段带宽大，但是受干扰大，会受到降雨等因素干扰

PSTN (Public Switched Telephone Network)

信号调制

角度为相位，距离为振幅。对不同信号加载不同信号可以实现一个周期内传输多位数据

在带宽较小的情况下提高数据传输速度

基带传输(Baseband transmission) P98

四种不同编码方式：

  • NRZ （Non-Return to Zero）
  • NRZI （NRZ Revert）
  • Manchester
  • AMI
编码名称 编码规则
不归零码 Nonreturn-to-Zero-Level(NRZ-L) 0 = 低电平 1 = 高电平
反向不归零码 Nonreturn to Zero Inverted(NRZI) 0 = 间隔(一个bit的时间)起始处无变化 1 = 间隔起始处有变化
双极-AMI码 0 = 无信号 1 = 正、或负电平,每一连续的1交变
Manchester编码 0 = 间隔的中央处从低到高变化 1 = 间隔的中央处从高到低变化
差分 Manchester编码 间隔的中央处总有变化 0 = 在间隔起始处变化 1 = 间隔起始处无变化

NRZI编码方式会遇到一个严重问题，当连续发送多位“0”或“1”信号时，会造成数据信号长时间无法翻转，使读取的时序发生严重错误（接收端时钟与发信端时钟会有误差）。因此，在NRZI编码之间还需执行所谓的位填充的工作。

四五位编码

有意识地让一段数据一定会产生电平跳变（浪费25%带宽）（保证传输准确性）

DSL（Digital Subscriber Lines）数字用户环线

带宽会因为传输距离而衰减

上图为三类UTP数值

ADSL 非对称

多路复用

把许多信号在单一地传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术。

在语音信号中，比如有三路不同语音信号
将这三路信号升频，进入三个不同的频率段

频分复用(FDM)

上述方法固定频率段，但是无法控制不同频率段使用效率的差距问题

信号并行发送

时分复用(TDM)

用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间

信号串行发送

波分复用

把频分的频率看成波长（光信号）

PCM (Pulse Code Modulation)

Nyquist theorem: Making 2N samples per second from N hz bandwidth is sufficient to capture all the information

Telephone system: 8000 samples from 4khz channel, 125us/sample, 7 or 8 bit/sample


简单的采样量化过程

增量调制（Delta Modulation）

一种差分编码，减少了一个通道所需要的比特位数

Delta 1bit

Differential 5bits 一般

将多路T1复用到更高的带宽中

Switching/交换

  • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换

电路交换&分组交换

交换机收到一个分组之后就可以向下传递，不需要等待所有分组全部收到

电路交换：时延主要在寻找中继线的时候，线路延时较小

分组交换：分组较一大块数据块小很多，不需要等待则时延小一些

比较：

Congestion 拥塞：

当线路利用率达到某一个临界值时，线路将会被堵塞
如果继续按照原有的速率发送数据包，则数据包会发生拥塞
在此情况下数据包会遭到破坏
解决方法：将发送端加载数据包的速度降低
拥塞策略

移动电话系统

AMPS/GSM/UMTS/LTE

AMPS（1G）

语音仍模拟传输
信号调制基于频率

每段频率段各不相同，A~F

每个区域分为七个小区域，分别部署七个不同频率段

再将每个区域细分到832个（全双工）信道，其中有四类：

  • 控制信道用于管理系统（基站到移动电话）
  • 寻呼信道用于提醒用户有呼叫到来（基站到移动电话）
  • 计入（Access）信道用于呼叫的建立和信道分配（双向）
  • 数据信道承载语音、传真或数据（双向）

发送信道（移动电话到基站）824~849MHz（单工）832个信道
接受信道（基站到移动电话）869~894MHz（单工）832个信道

D-AMPS（2G）

数字传输
TDM帧

GSM（2G）

FDM多频道，TDM单帧

信号调制基于QPSK（正交相移键控）

UMTS（2G）

信号调制基于CDMA（3G）
多路信号同时占用整个带宽传输

如何从合成信号中分解单路信号？

芯片码（正交）
站点发送

  • 芯片码“1”
  • 芯片码的反码“0”

合成信号·发送站芯片码/码长=+1/-1/0（信号还原）
通过基站交换双方的芯片码

LTE（4G）

OFDM（正交频分多路复用）

Review

2.1 The theoretical basis for data communication

  • Bandwidth analysis (综合分析)
  • The maximum data rate of a channel (综合分析)

2.2 Guide transmission media （了解）
2.3 wireless transmission（理解）

  • Light wave transmission （理解）

2.4 Communication satellites （了解）
2.5 The public switched telephone network （理解）

  • Structure of the telephone system
  • The local loop: Modems
  • Trunks and Multiplexing
  • Switching

2.6 the mobile telephone system

  • GSM and CDMA (综合分析)

2.7 cable television（了解）

gtmd作业

2.3，2.4，2.5，2.7，2.10，2.19，2.21，2.25，2.26，2.28 ，2.44 ，2.48, 2.50

2.3 If a binary signal is sent over a 3-kHz channel whose signa-to-noise ratio is 20dB, what is the maximum achievable data rate?
2.4 What signal-to-noise ratio is needed to put a T1 carrier on a 100-kHz line?
*2.5 What are the advantages of fiber optics over copper as a transmission medium? Is there any downside of using fiber optics over copper?
2.6 How much bandwidth is there in 0.1 microns of spectrum at a wavelength of 1 micron?
2.7 It is desired to send a sequence of computer screen images over an optical fiber. The screen is 1920x1200 pixels, each pixel being 24 bits. There are 50 screen images per second. How much bandwidth is needed?
2.10 Radio antennas often work best when the diameter of the antenna is equal to the wave-length of the radio wave. Reasonable antennas range from 1cm to 5 meters in diameter. What frequency range does this cover?
2.19 Is an oil pipeline a simplex system, a half-duplex system, a full-duplex system, or none of the above? What about a river or a walkie-talkie-style communication?
2.21 A modem constellation diagram similar to Fig. 2-23 has data points at (0,1) and (0,2). Does the modem use phase modulation or amplitude modulation?
2.25 Ten signals, each requiring 4000 Hz, are multiplexed onto a single channel using FDM. What is the minimum bandwidth required for the multiplexed channel? Assume that the guard bands are 400 Hz wide.
2.26 Why has the PCM sampling time been set at 125 μsec?
2.28 Compare the maximum data rate of a noiseless 4-kHz channel using (a) Analog encoding (e.g., QPSK) with 2 bits per sample (b) The T1 PCM system
2.44 A CDMA receiver gets the following chips:(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1). Assuming the chip sequences defined in Fig. 2-28(a), which stations transmitted, and which bits did each one send?
2.48 A cable company decides to provide Internet access over cable in a neighborhood consisting of 5000 houses. The company uses a coaxial cable and spectrum allocation allowing 100Mbps downstream bandwidth per cable. To attract customers, the company decides to guarantee at least 2Mbps downstream bandwidth to each house at any time. Describe what the cable company needs to do to provide this guarantee.
2.50 How fast can a cable user receive data if the network is otherwise idle? Assume that the user interface is (a) 10Mbps Ethernet (b) 100Mbps Ethernet (c) 54Mbps Wireless