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2021研面准备 -- 计算机网络知识点整理(二)物理层

时间:2020-07-18 16:01:23      阅读:91      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:异或   电力   图片   集中   用途   方式   特殊   缓存   服务   

参考教材为《计算机网络》(第7版)-- 谢希仁,电子版 pdf 下载链接:点击下载,提取码:s4jp

第二章 物理层

一、物理层的基本概念

  • 物理层的主要任务
    ?确定与物理传输媒体的接口特性,考虑如何在连接各种计算机的传输媒体上进行数据比特流的传输,而不是指具体的传输媒体。即物理层的作用尽可能屏蔽掉硬件设备、传输媒体和通信手段的种类差异,便于数据链路层专注于本层的协议和服务
    ?除此之外,物理层还要完成传输方式的转换(比如串行传输与并行传输之间的转换)。

  • 物理层确定传输媒体的接口特性

    • 机械特性:接口集线器的形状、尺寸、引脚数目、排列、固定和锁定装置等;
    • 电气特性:接口电缆的电压范围等;
    • 功能特性:某条线上的某一电平电压的意义等;
    • 过程特性:不同功能的各种可能事件的出现顺序等。

二、数据通信的基础知识

  • 通信的信息交互方式

    • 单向通信(单工通信): 仅单方向的通信。如无线/有线电广播、电视广播等。
    • 双向交替通信(半双工通信):双方可交替通信。对讲机?
    • 双向同时通信(全双工通信):双方可同时通信,效率最高。电话、视频聊天等。
  • 信号的传输过程

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  • 基带信号(Base band):
    ?即基本频带信号,指的是从0到某个截止频率的信号,如计算机输出的代表文字或图像的数据信号。一般用于有线介质。

  • 带通信号(Band pass):经过载波调制后的信号称为带通信号,即仅在一段频率范围内能够通过信道。一般用于无线介质。

  • 基带信号调制

    • 基带调制(编码)
      【1】不归零制:正电平代表1,负电平代表0。
      【2】归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0。
      【3】曼彻斯特编码:位周期中心的向上跳变代表0,位周期中心的向下跳变代表1;也可反过来定义。发送时钟频率为基带信号频率的 2 倍,时钟信号与基带信号作异或运算。
      【4】差分曼彻斯特编码:在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0,位开始边界没有跳变代表1。
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  • 带通调制基本方法
    • 调幅(Amplitude Modulation,AM):载波的振幅随基带数字信号而变化;如 0 或 1 分别对应无载波或有载波输出;
    • 调频(Frequency Modulation,FM):载波的频率随基带数字信号而变化;如 0 或 1 分别对应频率 \(f_1\)\(f_2\)
    • 调相(Phase Modulation,PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化;如 0 或 1 分别对应于相位 0 度或 180 度。
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  • 码间串扰
    ?信号在信道中传输时,由于高频分量衰减而出现的前后码元的波形畸变、展宽,并使前面波形出现很长的拖尾,蔓延到当前码元的抽样时刻上,导致码元之间的界限不再清晰的一种现象。(可以借由傅里叶级数逼近矩形波过程进行想象,高频丢失会导致信号跳变边缘变得平缓)
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  • 奈氏准则
    ?在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

  • 信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)
    【定义】信号与噪声的平均功率之比,记作 \(\frac{S}{N}\)
    【单位】常用分贝(dB)。
    【计算公式】$$\small{信噪比 = 10\log_{10}{\frac{S}{N}} (dB)}$$

  • 信道信息传输极限速率(香农公式)
    【计算公式】$$\small{C = W\log_{2}{(1+\frac{S}{N})} (bit/s)} \ \scriptsize{W:信道带宽;S:传输信号的平均功率,N:信道内部高斯噪声功率}$$
    【表明】信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。
    【意义】只要信息传输速率低于信道的极限速率,就一定存在某种方法来实现无差错的传输。

三、物理层下面的传输媒体

  • 传输媒体
    【定义】又称传输介质传输媒介。指代数据传输系统中发送器于接收器之间的物理通路。
    【分类】导引型(Guided)传输媒体非导引型传输媒体

  • 导引型传输媒体
    【含义】电磁波被导引沿着固体媒体传输(即有线传输)。
    【常见传播媒介】

    • 电力线:利用现有电网和室内电线进行通信。由于电信号频率为 50~60HZ,因此高频数据通信会发生严重衰减;电噪声大。常见应用:电力猫。
    • 双绞线:将两根相互绝缘的铜导线进行绞合以减少相互干扰,信号以两根电线的电压差来承载(两根平行线会构成天线,所以需要绞合)。分有无屏蔽类别
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    • 同轴电缆:有线电视、城域网等。
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    • 光纤
      【1】单模光纤:光纤足够细而不发生折射,不失真;
      【2】多模光纤:多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输,长距离传输会失真。
      【优点】
      • 带宽大(通信容量大);
      • 传输损耗小,中继距离长(5km),适合远距离传输;
      • 抗雷电和电磁干扰性能好;
      • 体积小,重量轻,安装费用低;
      • 安全性(不漏光,难接入)。
    • 【缺点】
      • 操作要求高,易折断
      • 单向传输方式,双向通信需两根光纤
      • 色散现象,需要色散补偿
      • 连接不易:将两根光纤精确地对接需要专用设备(连接器,机器拼接,熔合,前两种漏光大)
      • 光电转换难:光电接口设备成本高,效率低(目前只能做到100Gbps),价格较贵
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    • 磁介质(硬盘、磁带等)

  • 非导引型传输媒体
    【含义】电磁波在自由空间传输(即无线传输)。
    【常见传输方式】

    • 短波通信(高频通信)
    • 微波通信:由于微波在空间是直线传播的,而地球表面是曲面,因此需要中继站进行信号接力。
      • 地面微波接力通信:天线塔充当中继站。
      • 卫星通信:卫星充当中继站。
    • 其他:红外通信(遥控器)、激光通信

  • 常用传输媒介的比较

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四、信道复用技术

  • 频分复用(Frequency Division Multiplexing, FDM)
    【原理】整个传输频带被划分为若干个频率通道,每路信号占用一个频率通道进行传输。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。
    【特点】所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽。
    【用途】电话网络,移动电话,地面无线,卫星。
    【缺陷】若每一个用户占用的带宽不变,则当复用的用户数增加时,复用后的信道的总带宽就跟着变宽。
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  • 时分复用(同步时分复用)(Time Division Multiplexing, TDM)
    【原理】将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。每一个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
    【特点】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)。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
    【用途】电话网络,移动通信。
    【缺陷】固定分配时隙,用户对时隙的独占性导致信道利用率不高。当某用户无数据发送时,其他用户也不能占用该时隙,造成带宽浪费。
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  • 统计时分复用(异步时分复用)(Statistic TDM, STDM)
    【原理】STDM帧中时隙数少于用户数;用户发送数据先进入集中器缓存,由集中器依次扫描各缓存并将数据填入STDM帧,帧满后直接发出。用户不固定占用某个时隙,有空时隙就将数据放入。
    【特点】按需动态分配时隙,从而提高信道利用率。要求各用户总是间歇性工作以保证集中器能够及时处理数据。额外开销:每个时隙中还必须有用户的地址信息。
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  • 波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)
    【原理】即光的频分复用,使用同一根光纤同时传输多个光载波信号。
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\[\scriptsize{8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波(其波长均为1310nm)。经光的调制后,分别将波长变换到1550~1557nm,每个光载波相隔1nm。因此,在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8×2.5Gbit/s=20Gbit/s} \]

  • 码分复用(Code Division Multiplexing, CDM ,或称码分多址 Code Division Multiple Access,CDMA)
    【原理】每个用户可以同时使用相同的频带进行通信,但经过特殊挑选的不同码型来区分,彼此不会造成干扰。即提取希望的信号,同时拒绝其它信号,将其视为噪声。
    【码片】每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片。
    【向量规格化内积】有向量 S 和 T,则两者的规格化内积计算公式为:

\[\boldsymbol{S} \bullet \boldsymbol{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} T_{i} \]

【工作方式】
① 规定使用 CDMA 的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列(Chip Sequence),不同站分配的码片序列必须各不相同相互正交。(可以将码片序列理解成向量矩阵

② 对于码片序列的规格化内积有如下性质:
- 码片序列与自身的规格化内积等于 1。(向量模的规格化结果 = 1
- 码片序列与其反码的规格化内积等于 -1
- 不同码片序列的规格化内积等于 0。(相互正交的向量求内积 = 0

③ 一个站如果要发送比特1,则发送它自己的 m bit 码片序列。如果要发送比特 0 ,则发送该码片序列的二进制反码。如 S 站的 8 bit 码片序列为 00011011,则发送 1 时应该发送 00011011,发送 0 时发送序列反码 11100100。按照惯例,需要讲码片中的 0 写作 -1,1 写作 +1,即 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。

④ 多个站同时发送时,需要将多组码片作叠加运算。(多重信号叠加向量求和

⑤ 接收端接收信号时,将接收信号与已知的各站码片序列分别作规格化内积运算,结果有如下几种情形:
- 若结果为 1,说明该组码片序列对应的站点发送了数据比特 1
- 若结果为 -1,说明该组码片序列对应的站点发送了数据比特 0
- 若结果为 0,说明该组码片序列对应的站点未发送数据

  • 【例题】
    假设共有四个站进行码分多址通信,四个站的码片序列分别为

\[\scriptsize{A(-1-1-1+1+1-1+1+1)\quad B(-1-1+1-1+1+1+1-1)} \\scriptsize{C(-1+1-1+1+1+1-1-1)\quad D(-1+1-1-1-1-1+1-1)}\]

现收到这样的码片: \(\scriptsize{S(-1+1-3+1-1-3+1+1)}\),问哪些站发送了数据,发送的是 0 还是1。
解: \(\scriptsize{A\bullet S = (-1-1-1+1+1-1+1+1)\bullet (-1+1-3+1-1-3+1+1)/ 8 = (1-1+3+1-1+3+1+1)/ 8= 1}\)
??故 A 站发送了数据比特 1,其余站类似。

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五、参考资料

【1】《计算机网络》(第7版)-- 谢希仁,电子版 pdf 下载链接:点击下载,提取码:s4jp
【2】 计算机网络知识点总结-第二章:物理层

2021研面准备 -- 计算机网络知识点整理(二)物理层

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