第2章 物理层! 

第 2章 物理层!

  传输介质

  电话系统（ PSTN）

  Internet 的本地接入

传输介质!

  双绞线

  同轴电缆

  光缆

  无线传输

双绞线 （twisted pair）!

 

线间干扰较小、价格便宜、易于安装

 

可传输模拟信号，也可传输数字信号

  在电话系统的最后一公里，用于传输模拟信号

 

无屏 双绞线（UTP）通常的传输距离为100 m 如Cat3（10 Mbps）和Cat5（100 Mbps）

传输介质!

  双绞线

  同轴电缆

  光缆

  无线传输

同轴电缆!

 

50Ω同轴电缆

 

 

75Ω同轴电缆

 

 

常用的同轴电缆有 ：

传输介质!

  双绞线

  同轴电缆

  光缆

  无线传输

光缆 !

  多模光缆：信号通过光的折射在光纤 中传输，距离 2 km

  单模光缆：直线传输，距离 10 km

光传输系统包括：

光源、传输介质（光纤）、光检测器

光缆相对铜缆的特性 !

  带宽高 距离远 损耗低 重量轻 无电磁干扰 防窃听

  端口设备价格高

传输介质!

  双绞线

  同轴电缆

  光缆

  无线传输

无线传输 !

  无线电传输

  微波传输

  红外线和毫米波

  光波传输

根据波长分成不同的波段，依次为无线

电、微波、红外、可见光、紫外等

用于通信的电磁波频段!

无线电波 微波 红外线 可 见 光

紫 外

线 X射线 γ射线 f(Hz) 10⁰ 10² 10⁴ 10⁶ 10⁸ 10¹⁰ 10¹² 10¹⁴ 10¹⁶ 10¹⁸ 10²⁰ 10²² 10²⁴

f(Hz) 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰ 10¹¹ 10¹² 10¹³ 10¹⁴ 10¹⁵ 10¹⁶ 双绞线

TV AM FM

同轴电缆 微波通信

卫星通信 光通信

波长 30km 3km 30m 3m 30mm 3mm 30µm 3µm

地面无线通信模型!

 

传输距离：天线的高度、类型和信号强度

 

传输可靠性：障碍物

 

传输正 性：气象条件

卫星通信模型!

VSAT：甚小孔径卫星终端

地面站

地球同步卫星 36000km

端到端 单程 270ms 往返 540ms VSAT

中央站

VSAT

第 2章 物理层!

  传输介质

  电话系统（ PSTN）

  Internet 的本地接入

电话系统（ PSTN）!

公用电话交换网，简称： PSTN

Public Switched Telephone Network

通常的计算机通过MODEM拨号上网，就是通过电话系 统进行数据传输

计算机系统的误码率为10^-12 ，而电话系统的误码率为 10^-5，是计算机系统的10⁷倍

电话系统的树状结构!

每部电话完全互联是不可能的，所以 一般为树状结构

一级中心：国家级中心

二级中心：省、直辖市中心 三级中心：区、县级中心

四级中心：区内（本地）交换局

电话系统的数字化趋势!

  与模拟传输相比，数字传输具有明显的 优势，所以电话系统数字化是发展趋势

电话系统由三部分组成：

本地回路：双绞线，模拟传输，1 km ~ 10 km 主干线：交换局间的光缆，数字传输

交换局：交换设备，交换技术

本地回路!

 

电话系统中的电话局间都已采用光缆连接，并 大多已实现数字传输

 

本地回路要实现光纤到户成本太高且无必要，

因为家庭电话毋需 用，也不允许 用

 

Internet 是OVER 在电话系统上的，所以必须 实现远距离数字数据的传输，并且应用对带宽 的需求必将对本地回路的信道 用提出要求

 

Internet 可通过本地回路的接入方法接入

电话系统的数字化趋势!

  与模拟传输相比，数字传输具有明显的 优势，所以电话系统数字化是发展趋势

电话系统由三部分组成：

本地回路：双绞线，模拟传输，1 km ~ 10 km 主干线：交换局间的光缆，数字传输

交换局：交换设备，交换技术

主干线!

  PCM

  采样和量化

  T1线路

  E1线路

  SONET和SDH

主干线常采用多路 用技术以提高线路的利用率

PCM ^（ Pulse Code Modulation）!

 

脉冲编码调制 PCM

由于数字传输的明显优势，所以，主干线都采用数 字传输，于是终端用户（如电话的语音信号）的模 拟数据到达本地局后，都必须转换成数字数据，以 适合主干线的传输

 

PCM以采样定理为基础

采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f (t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行 采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息

主干线!

  PCM

  采样和量化

  T1线路

  E1线路

  SONET和SDH

主干线常采用时分多路 用技术以提高线路的利用率

采样和量化!

 

采样速率： 8000次/秒

电话系统的历史及其对整个世界的覆盖决定了计算 机网络必须OVER在电话系统的承载网上

根据人的听觉功能，电话系统中每个信道的频宽为 4000 Hz，根据Nyquist定理，对于4000 Hz的信号，

多于8000次/秒的采样是无意义的

 

采样值的量化

一次采样值分成多少个等级，将决定量化后的数据 量，如等分成256个等级，则必须用8 bit表示

采样和量化举例!

A B C D E F G H t

256 192 128 64 0

A B C D E F G H

188 244 240 144 80 72 122 200

10111100 11110100 11110000 10010000 01010000 01001000 01111100 11001000

主干线!

  PCM

  采样和量化

  T1线路

  E1线路

  SONET和SDH

主干线常采用时分多路 用技术以提高线路的利用率

T1线路 1.544M b/s

  T1线路由24个多路 用信道组成

每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7 bit

每个信道每次采样生成7bit数据位加1 bit控制位，即7b + 1b 即每个信道每秒生成56K + 8K的传输速率

24个多路 用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：

8 bit x 24 = 192 bit，每帧间加一个bit，所以每帧为193 bit 193 bit x 8000次采样/秒 = 1544000 bit/s = 1.544M b/s

北美、日本使用 T1线路

主干线!

  PCM

  采样和量化

  T1线路

  E1线路

  SONET和SDH

主干线常采用时分多路 用技术以提高线路的利用率

E1线路 2.048M b/s

  E1线路由32个多路 用信道组成

每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8 bit，其中包 括用于信令的bit

32个多路 用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：

8 bit x 32个信道 = 256 bit

256 bit x 8000次采样/秒 = 2.048M b/s

欧洲、中国使用 E1线路

多个 T1或E1线路的 用!

 

一次群： T1 = 1.544M b/s E1 = 2.048M b/s

 

二次群： T2 = T1 x 4 + … = 6.312M b/s E2 = E1 x 4 + … = 8.848M b/s

 

三次群： T3 = T2 x 6 + … = 44.736M b/s E3 = E2 x 4 + … = 34.304M b/s

 

四次群： T4 = T3 x 7 + … = 274.176M b/s

E4 = E3 x 4 + … = 139.264M b/s

主干线!

  PCM

  采样和量化

  T1线路

  E1线路

  SONET和SDH

主干线常采用时分多路 用技术以提高线路的利用率

SONET/SDH

 

同步光纤网 ^美国标准ANSI T1.105 ~ 106

  STS-1（Synchronous Transport Signal）同步传送信号

（电信号）

  OC-1（Optical Carrier）光载波 （ 光信号）

采用每

本速率为

 

同步数字体系 CCITT推荐的标准

  STM-1（Synchronous Transport Module）同步传送模块

的 STM级的比较 !

在

在更高速率的标准上，

线路速率(Mb/

s)

SONET（美） SDH（欧）

OC级 STS级 STM级

51.84 OC-1 STS-1

155.52 OC-3 STS-3 STM-1

466.56 OC-9 STS-9 STM-3

622.08 OC-12 STS-12 STM-4 933.12 OC-18 STS-18 STM-6 1244.16 OC-24 STS-24 STM-8 1866.24 OC-36 STS-36 STM-12 2488.32 OC-48 STS-48 STM-16 9953.28 OC-192 STS-192 STM-64

电话系统的数字化趋势!

  与模拟传输相比，数字传输具有明显的 优势，所以电话系统数字化是发展趋势

电话系统由三部分组成：

本地回路：双绞线，模拟传输，1 km ~ 10 km 主干线：交换局间的光缆，数字传输

交换局：交换设备，交换技术

交换设备 !

  交 点交换机

  空间分隔交换机

  时分交换机

交 点交换机 !

  纵横制交换机（ crossbar）

0 1 2 3 4 5 6 7 0

1 2 3 4 5 6 7

交换设备 !

  交 点交换机

  空间分隔交换机

  时分交换机

空间分隔交换机 !

  可以理解为组交换

n x k

n x k

n x k

n x k

k x n

k x n

k x n

k x n N N

n n X N N

n n X

N/n个交 条 N/n个交 条

k个交 条

交换设备 !

  交 点交换机

  空间分隔交换机

  时分交换机

时分交换机 !

 

核心是时 互换器（ time slot interchanger ）

计数器 n个输入时

n条输出线 n条输入线

n个输出时

输入帧 输出帧

n个词映射表 n个k位的 RAM缓冲 时 互换器

7 1

6 2

5 5

4 0

3 3

2 6

0 1 2 3 4 5 6 7 4 7 6 3 0 5 2 1

交换技术!

  电路交换

  报文交换

  分组交换

交换技术图示!

报文

t

电路交换 报文交换 分组交换

A B C D A B C D A B C D 建

立 连 接 阶段

报文

报文 报文

分组

传 输 报 文 阶段

第 2章 物理层!

  传输介质

  电话系统（ PSTN）

  Internet 的本地接入

Internet 的本地接入!

  拨号接入

  ADSL接入

  Internet over Cable

拨号接入!

  家庭主机拨号上网示意图

  MODEM 调制解调器

  通过电话线路访问远程服务器

  使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号

  必须在某ISP注册成为合法用户

  服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时 的IP地址

家庭主机拨号上网示意图!

  家庭主机通过拨号对远程服务器的访问

  不归零制编码的数字数据（数字信号） ：A、 G

  经MODEM调制后的数字数据（模拟信号）：B、F

  经Codec 编码解码后的数字数据（数字/模拟信号）：

C、D、E、H

ISP 1

MODEM pool M M M M M PC

M

Toll office

Toll office Toll

office End office

Local loop (Analog) (Twisted pair)

Medium-bandwidth trunk

(Digital, fiber)

Codec Codec

High-bandwidth trunk

ISP 2 Digital line

B C E

A

G H

F

D

数据传输需考虑的问题!

 

 

 

 

 

拨号接入!

  家庭主机拨号上网示意图

  MODEM 调制解调器

  通过电话线路访问远程服务器

  使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号

  必须在某ISP注册成为合法用户

  服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时 的IP地址

MODEM 调制解调器!

 

MODEM包括调制和解调 个功能

 

调制方式有：

 

 

 

常用的调制解调器接口有 RS-232、RS-449 调制解调器，简称： MODEM

MOdulation and DEModulation

MODEM 调制解调器 ^（续）!

 

载波： 1000 – 2000 Hz的正弦波

 

使用某 技术，让载波携带数字数据

 

调幅、调频、调相，或其组合

 

常用的协议

 

 

 

Internet 的本地接入!

  拨号接入

  ADSL接入

  Internet over Cable

ADSL接入!

  DSL 数字用户线路

  ADSL的接入模型

  DMT 离散多音调调制

ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line

DSL 数字用户线路!

 

  HDSL： 1.544 ~ 2.048 Mbps，2/4对双绞线，3 ~ 4 km

  SDSL： 1.544 ~ 2.048 Mbps，1对双绞线，3 km

 

  VDSL： 上行13 ~ 52 Mbps，下行1.5 ~ 2.3 Mbps 1对双绞线，0.xx km

  ADSL： 上行64 k ~ 1 Mbps，下行512 k ~ 8 Mbps 1对双绞线，3 ~5 km

DSL：digital subscriber line

  使用常规的电话线路，本地局端的滤波器将限制带宽为4 kHz，

但本地回路通常采用的是

  如局端滤波器的限制策略为按需可调，则给定的带宽可增加

  根据对上行、下行线路不同的带宽需求有多 不同的标准

ADSL接入!

  DSL 数字用户线路

  ADSL的接入模型

  DMT 离散多音调调制

ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line

ADSL的接入模型!

'

Internet

用户侧 本地局

Ethernet 端口 PC机

滤波器

用户配线架

局端滤波器

交换机配线架 程控交换机 ADSL modem

ATU-R

ATU - C：ADSL Transmission Unit－Central ATU - R：ADSL Transmission Unit－Remote

ADSL modem

ATU-C

A

B F

G

E D

C

 采用曼切斯特编码、携带了数 字数据的数字信号：

A

 携带了语音数据的模拟信号：

C 、 E 、 F

 经

ADSL modem 调制后的 、

B 、 D 、 G

 多个信道，频分多路 用

ADSL接入!

  DSL 数字用户线路

  ADSL的接入模型

  DMT 离散多音调调制

ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line

DMT 离散多音调调制!

DMT：Discrete MultiTone modulation 将本地回路 的可用带宽（约1.1MHz)分成256个4312.5Hz的独立信 道，信道0 给传统的电话，1 ~ 5保留，剩下的250个信 道中一个给上行控制，一个给下行控制，其余全部用于 数据传输，由提供者分配 些给上行， 些给下行

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 251 252 253 254 255

Voice Upstream Downstream

… …

… …

4312.5Hz

常用的 ADSL带宽分配!

因为用户对 Internet 的访问是不对称的，

所以一般总是将 80 – 90%的信道分配给 下行，每个信道都是独立调制的

voice 4k 4k … 4k

Upstream 64k 256k … 1M Downstream 512k 1M … 8M

Internet 的本地接入!

  拨号接入

  ADSL接入

  Internet over Cable

Internet over Cable

  社区电视系统

  HFC 混合光纤电缆系统

  HFC中的频谱分配

  Cable MODEM

  ADSL与HFC的比较

Internet over Cable 基于社区电视系统

社区电视系统!

 

社区电视系统的特点

 

 

 

 

作为 Internet 接入的可能性

 

 

Internet over Cable

  社区电视系统

  HFC 混合光纤电缆系统

  HFC中的频谱分配

  Cable MODEM

  ADSL与HFC的比较

Internet over Cable 基于社区电视系统

HFC 混合光纤电缆系统!

 

HFC：Hybrid Fiber Coax

Coaxial cable Tap house Fiber node

Fiber Switch

Head End

High bandwidth fiber trunk

Internet over Cable

  社区电视系统

  HFC 混合光纤电缆系统

  HFC中的频谱分配

  Cable MODEM

  ADSL与HFC的比较

Internet over Cable 基于社区电视系统

Downstream Data

HFC中的频谱分配!

 

HFC保留了原有的TV及FM的广播功能

 

实现了数据的非对称双向传输，以作为 Internet的接入

Upstream Data FM TV

∥

TV

∥

5 42 54 88 108 550 750 MHz

42 ~ 54M频段保留，凡高于此频段的都是下行信号，低于此段频 的都是上行信号，其实，此频段是一隔离带

HFC中的频谱分配!

 

每个下行信道占用 6 ~ 8 MHz

 

用模拟方式传输，常用的调制方法是 QAM-64，

对质量特 好的信道也可用 QAM-256

 

对 6MHz信道，可用的数据传输率为36Mbps，

去掉一些额外 销，一般为 27Mbps

 

上行信道质量较差，一般用 QPSK携带2位信息

Internet over Cable

  社区电视系统

  HFC 混合光纤电缆系统

  HFC中的频谱分配

  Cable MODEM

  ADSL与HFC的比较

Internet over Cable 基于社区电视系统

Cable MODEM

 

Cable MODEM与计算机的接口为Ethernet

 

在一个 Headend管理下的、并由Cable连接 的、所有计算机组成的是一个共享网络

 

共享站点的竞争发送不能采用 CSMA/CD协

议，因为站点无法对介质进行检测

Cable MODEM的初始化!

  Power On或Reset后，MODEM将监测下行数据流中由headend 为新站点提供的系统参数，并通过某一上行信道宣布它的存在

  Headend 为新站点分配上行和下行信道（以后可能会调整）并通 知（新站点的） MODEM

  MODEM发送一特殊的测距分组并等待应答，以测试自己到

Headend 的“距离”（此过程为ranging）,以后将以此为依据，此 距离以“时 ”（minislot）计，典型地，一个minislot 相当于8 bytes的传播延时

  Headend 除分配上行、下行信道外，还为每个MODEM分配一个 请求上行带宽的时 号，可能会有多个MODEM共享一个时 号，

如共享时 号的站点同时请求上行带宽，将发生冲突

计算机的一次发送过程!

  计算机用上行信道经MODEM向Headend发送一个请求分 组，其中包含所需的时 数（minislot）,然后等待应答

（需等待的时 数已知）

  Headend 通过下行信道应答（ACK），并通知计算机已 为之保留的时 号，计算机在上行信道为其保留的时 号 内发送数据分组

  如在等待的时 数过后还未收到Headend的ACK应答，这 意味着已发生冲突，此时将采用二进制指数后退法，随机 选择一个需等待的时 数后再次请求，以避免再次冲突

Internet over Cable

  社区电视系统

  HFC 混合光纤电缆系统

  HFC中的频谱分配

  Cable MODEM

  ADSL与HFC的比较

Internet over Cable 基于社区电视系统

ADSL与HFC的比较!

  ADSL是基于电话系统

  每个用户直接与局端连接，属星型拓扑

  所承诺的速率是固定的，与当前的用户数无

  允许用户选择自己的ISP

  如用户数增加或 少，操作简单，系统扩容投资相对较少

  数据安全性比较能得到保证

  由于ADSL（包括其它的xDSL都）与距离有 ，所以有电 话线的地方不一定都能提供ADSL服务

ADSL与HFC的比较 ^（续）!

  HFC基于社区电视系统，属信道共享，但即使保留了原有的 FM和TV频段，同轴电缆所提供用于数据传输的带宽还是很宽

  并非每个用户都与Headend直接连接，属树型拓扑

  标称的传输速率为10Mbps（Ethernet），但属共享信道

  所提供的服务必须与某个具体的ISP合作，使用DHCP协议

  如用户数增加或 少，操作相对 杂，系统扩容投资相对较大

  由于属共享信道，所以数据安全性必须采用密码技术才能得到 保证

  与距离基本无 ，凡有HFC的地方一般都能提供Internet服务

Thanks

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