2021研面准备 -- 计算机网络知识点整理（二）物理层

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。即物理层的作用是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

• 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。

• 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 $f_1$ 或 $f_2$ ；
  • 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。

• 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）

• 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】$$信噪比=10{\log }_{10}\frac{S}{N}(dB)$$

• 信道信息传输极限速率（香农公式）
  【计算公式】$$\begin{gathered} C=W{\log }_2（1+\frac{S}{N}）(bit/s) \\ W：信道带宽；S：传输信号的平均功率，N：信道内部高斯噪声功率 \end{gathered}$$
  【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）传输媒体和非导引型传输媒体。

• 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】

  • ① 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。
  • ② 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。
    
    
  • ③ 同轴电缆：有线电视、城域网等。
    
  • ④ 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
      
      
      
  • ⑤ 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

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。

• 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。

• 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。

• 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。

$$8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波（其波长均为1310nm）。经光的调制后，分别将波长变换到15501557nm，每个光载波相隔1nm。因此，在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8\times 2.5Gbit/s=20Gbit/s$$

• 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：
  $$\mathbf{S}\bullet \mathbf{T}\equiv \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i{T}_i$$
  【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且相互正交。（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。（多重信号叠加即向量求和）
    
    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
  $$\begin{gathered} A(-1-1-1+1+1-1+1+1)B(-1-1+1-1+1+1+1-1) \\ C(-1+1-1+1+1+1-1-1)D(-1+1-1-1-1-1+1-1) \end{gathered}$$
  现收到这样的码片: $S(-1+1-3+1-1-3+1+1)$，问哪些站发送了数据，发送的是 0 还是1。
  解： $A\bullet S=(-1-1-1+1+1-1+1+1)\bullet (-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1$
    故 A 站发送了数据比特 1，其余站类似。

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