第2章.物理層

1、第二章、物理層第二章、物理層1.理論分析研究在一個(gè)信道上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)有些什么樣的本質(zhì)限制。2.三種傳輸介質(zhì)有線的(銅線和光纖)、無(wú)線的(地面上的無(wú)線電波)和衛(wèi)星。3.三個(gè)通信系統(tǒng)(固定的)電話系統(tǒng)、移動(dòng)電話系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng)。2.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) 通過(guò)某種物理特性(比如電壓或者電流)的變化，就可以在線路上傳輸信息。如果用一個(gè)以時(shí)間t為自變量的單值函數(shù)f(t)來(lái)表示電壓或者電流的值，我們就可以對(duì)信號(hào)的行為進(jìn)行建模，并且用數(shù)學(xué)的手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。 2.1.1傅立葉分析 任何一個(gè)正常的周期為T(mén)的函數(shù)g(t)，都可以展開(kāi)成多個(gè)(可能無(wú)限個(gè))正弦和余弦函數(shù)的和：其中，f=1/T是基頻，an和bn是

2、n次諧波(harmonics)的正弦和余弦振幅，C是常數(shù)。這種分解稱(chēng)為傅立葉級(jí)數(shù)(Fourier series)。 111( )sin(2)cos(2) (2-1)2nnnng tCanftbnft2.1.1傅立葉分析 利用傅立葉級(jí)數(shù)，一個(gè)函數(shù)可以重構(gòu)；也就是說(shuō)，如果周期T是已知的，振幅也已經(jīng)給定了，那么通過(guò)等式(2-1)進(jìn)行求和可以得到原始函數(shù)g(t)。 一個(gè)有限時(shí)間的數(shù)據(jù)信號(hào)(所有的數(shù)據(jù)信號(hào)都是這樣的)可以想象成它在一遍又一遍地重復(fù)整個(gè)模式(也就是說(shuō)，在T-2T之間的信號(hào)與0-T之間的信號(hào)完全一樣，以此類(lèi)推)。 2.1.1有限帶寬信號(hào)(a)一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)和它的平方根傅立葉振幅a)對(duì)該信號(hào)進(jìn)

3、行傅立葉分析，可以得到系數(shù)an，bn ，c。開(kāi)始幾項(xiàng)的平方根振幅 如圖右邊所示。我們之所以對(duì)這些值感興趣，是因?yàn)樗鼈兊钠椒脚c對(duì)應(yīng)頻率處傳輸?shù)哪芰砍烧取?2nnab2.1.1有限帶寬信號(hào)(2) 所有的傳輸設(shè)施在傳輸過(guò)程中都要損失一些能量。如果所有的傅立葉分量都等量地衰減，則結(jié)果信號(hào)將會(huì)在振幅上有所減小，但不會(huì)變形。所有的傳輸設(shè)施對(duì)于不同傅立葉分量的衰減并不相同，因此會(huì)導(dǎo)致信號(hào)變形。 通常情況下，在從0到某一個(gè)頻率fc這一段范圍內(nèi)，振幅在傳輸過(guò)程中不會(huì)衰減，而在此截止頻率fc之上的頻率所對(duì)應(yīng)的振幅都會(huì)有不同程度的減弱。這里fc可以用Hz(赫茲)來(lái)度量。2.1.1有限帶寬信號(hào)(3) 傳輸過(guò)程中振幅

4、不會(huì)明顯減弱的這一段頻率范圍稱(chēng)為帶寬(bandwidth)。在實(shí)踐中，截止頻率并不會(huì)那么明顯，所以，通常引用的帶寬是指從0到某一個(gè)能保留一半能量的頻率處。 帶寬是傳輸介質(zhì)的一種物理特性，通常取決于介質(zhì)的材料構(gòu)成、厚度和長(zhǎng)度。2.1.1有限帶寬信號(hào)(4)如果傳輸設(shè)施的帶寬很低，以至于只有幾個(gè)最低的頻率才能被傳輸?shù)脑挘簿褪钦f(shuō)只取傅立葉級(jí)數(shù)的前面幾項(xiàng)作為信號(hào)函數(shù)的近似值，那么信號(hào)會(huì)變成怎么樣呢？8個(gè)諧波4個(gè)諧波諧波號(hào)1個(gè)諧波2個(gè)諧波2.1.1有限帶寬信號(hào)(5) 假設(shè)比特率為每秒b，發(fā)送8比特信息所需要的時(shí)間為8/b秒。因而一次諧波的頻率為b/8Hz，普通的電話線稱(chēng)為話音級(jí)線路，因此人為設(shè)置的截止頻

5、率大約為3000Hz。這個(gè)限制意味著最高諧波次數(shù)大約為3000/(b/8)次或24000/b次。2.1.1有限帶寬信號(hào)(6)數(shù)據(jù)傳輸率和諧波之間的關(guān)系如果數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)了38.4kbps，即使傳輸設(shè)備沒(méi)有任何噪聲，也不可能傳輸任何二進(jìn)制信號(hào)。限制了帶寬，也就限制了數(shù)據(jù)傳輸率。第1個(gè)諧波發(fā)送的諧波數(shù)2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 尼奎斯特定理 如果任意一個(gè)信號(hào)已經(jīng)通過(guò)了一個(gè)帶寬為H的低通濾波器，則只要每秒2H(要求精確)次采樣，過(guò)濾之后的信號(hào)就可以被完全重構(gòu)出來(lái)。采樣率超過(guò)每秒2H次是沒(méi)有意義的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)采樣恢復(fù)出來(lái)的高頻成分已經(jīng)被濾掉了。如果該信號(hào)電平分為V級(jí)，則 最大數(shù)據(jù)傳輸速率= 例如

6、，無(wú)噪聲的3kHz信道不可能以超過(guò)6000bps的速率傳輸二進(jìn)制(即只有兩級(jí))信號(hào)。 b/s log22VH S/N 為信噪比。S為信號(hào)功率， N為噪聲功率。通常情況下，人們并不使用信噪比本身，而是使用10log10S/N的值，該值稱(chēng)為分貝(dB)。信噪比S/N為10，則稱(chēng)為10dB；信噪比為100，則稱(chēng)為20dB；信噪比為1000，則稱(chēng)為30dB；等等。 香農(nóng)定理 最大數(shù)據(jù)傳輸速率(b/s) =2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 (2) )/1 (log2NSH 例如，假設(shè)一條信道的帶寬為3000Hz，信噪比為30dB(這是電話系統(tǒng)中模擬部分的典型參數(shù))，則不管傳輸?shù)男盘?hào)級(jí)數(shù)是多少，也不管采樣

7、頻率是多少，該信道上最大數(shù)據(jù)傳輸率不超過(guò)30000bps。香農(nóng)的結(jié)論可以從信息論的角度推演得到，并且適用于任何熱噪聲信道。2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 (3)2.2 有導(dǎo)向的傳輸介質(zhì) 物理層的目的是將原始位流從一臺(tái)機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_(tái)機(jī)器上。有多種物理介質(zhì)可以用于實(shí)際的傳輸過(guò)程。每一種介質(zhì)都有它自己的特性，包括帶寬、延遲、造價(jià)，以及安裝和維護(hù)的難易程度。大致上可以將介質(zhì)分為導(dǎo)向的介質(zhì)(比如銅線和光纖)和無(wú)導(dǎo)向的介質(zhì)(比如空氣中的無(wú)線電波和激光)。2.2.1 磁介質(zhì) 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Ultrium磁帶可以容納200GB(字節(jié))信息。一個(gè)606060cm的箱子可以裝下1000個(gè)這樣的磁帶，所以總?cè)萘繛?

8、00TB，或者1600Tb(即1.6Pb)。通過(guò)快遞公司，在24小時(shí)之內(nèi)這一箱磁帶可以投遞到美國(guó)任何一個(gè)地方。這樣一次傳輸?shù)挠行捠?600terabits/86,400s，或者19Gbps。如果離目標(biāo)只有 一小時(shí)路程的話，則帶寬可以超過(guò)400Gbps。現(xiàn)在沒(méi)有一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到這樣的傳輸能力。 2.2.1 磁介質(zhì)(2) Ultrium磁帶的批發(fā)價(jià)大約是40美元。 一盒磁帶至少可以重用10次，所以每一箱磁帶每一次使用的代價(jià)差不多是4000美元。再加上運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用大約是1000美元，我們可以計(jì)算出，運(yùn)送200TB的成本大約是5000美元。這樣算下來(lái)，運(yùn)輸1GB數(shù)據(jù)的費(fèi)用不到3美分。沒(méi)有一個(gè)網(wǎng)

9、絡(luò)能與它競(jìng)爭(zhēng)。2.2.2 雙絞線(a) 3類(lèi)UTP(16MHz).(b) 5類(lèi)UTP(100MHz).2.2.3 同軸電纜同軸電纜示意圖銅芯絕緣材料網(wǎng)狀導(dǎo)體保護(hù)性塑料外層2.2.4 光纖 計(jì)算機(jī)運(yùn)行的時(shí)鐘速度差不多每10年增長(zhǎng)20倍。 例如1981年，IBM PC的時(shí)鐘速度是4.77MHz。今天的PC可以運(yùn)行在2GHz上。但是，廣域數(shù)據(jù)通信從56KHz發(fā)展到1Gbps，每10年增長(zhǎng)125倍還多。而錯(cuò)誤率從每位10-5下降到幾乎為0。 單個(gè)CPU開(kāi)始接近物理的極限。相反，利用當(dāng)前的光纖技術(shù)，可以達(dá)到的帶寬肯定會(huì)超過(guò)50Tbps。限制是我們不能更快地在電和光學(xué)信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.2.4 光纖 一

10、個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)鍵部件：a) 光源：一個(gè)光脈沖表示位“1”，無(wú)光則表示位“0”。b) 傳輸介質(zhì)：一根極細(xì)的玻璃纖維。c) 檢測(cè)器。光照到檢測(cè)器上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖。在光纖的一端放上一個(gè)光源，另一端放上一個(gè)檢測(cè)器，我們就有了一個(gè)單向的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它接受電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成光脈沖并傳輸出去，然后在接收端重新轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 2.2.4 光纖a) 由于任何入射角度大于臨界值的光束都會(huì)在內(nèi)部反射，所以許多不同的光束可以在不同的反射角傳播?？梢赃@樣說(shuō)，每一束光都有不同的模式(mode)，所以，一根具有這種特性的光纖稱(chēng)為多模光纖(multimode fiber)。b) 如果光纖的直徑減小到幾個(gè)光波波長(zhǎng)大小的

11、時(shí)候，則光纖就如同一個(gè)波導(dǎo)，光只能按直線傳播了，而不會(huì)反射，這樣的光纖稱(chēng)為單模光纖(single-mode fiber)。 空氣二氧化硅空氣/二氧化硅的邊界光源完全內(nèi)部反射通過(guò)光纖傳輸光a) 光通過(guò)玻璃的衰減取決于光的波長(zhǎng)(以及玻璃的某些物理特性)。對(duì)于光纖中所使用的玻璃而言，這種衰減如圖所示。圖中顯示了光譜中接近紅外區(qū)域的光通過(guò)每公里光纖衰減的分貝。衰減的分貝數(shù)可由下列公式計(jì)算：衰減的分貝數(shù)=10lg(傳輸?shù)哪芰?接收的能量)例如，如果損失了一半能量，則衰減為10lg2=3dB。通過(guò)光纖傳輸光(2)紅外區(qū)域的光通過(guò)光纖時(shí)的衰減情況波長(zhǎng)/m衰減（dB/km）光纖(a) 單根光纖的結(jié)構(gòu)(b) 三

12、根光纖封起來(lái)的截面芯(玻璃)封套(玻璃)外套(塑料)外殼芯外套封套光纖(2)光纖的連接方式a)連接器：損失大約10%20%的光。b)機(jī)械接合：會(huì)有10%的光損失。c)熔合：幾乎和單根光纖一樣好，但仍存在少量的衰減。d)光源信號(hào)：LED和半導(dǎo)體激光。e)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)：在光源和光纖之間插入干涉計(jì)。f)接收端：光敏二極管。響應(yīng)時(shí)間為1ns。光纖(2)半導(dǎo)體激光和LED作為光源的比較半導(dǎo)體激光高多?；騿文ｉL(zhǎng)壽命短敏感昂貴低多模短壽命長(zhǎng)小成本低數(shù)據(jù)傳輸速率光纖類(lèi)型距離壽命溫度敏感性成本光纖網(wǎng)絡(luò)帶有有源中繼器的光纖環(huán)網(wǎng)計(jì)算機(jī)接口光纖光纖光接收器(光敏二極管)信號(hào)再生器(電子)光發(fā)送器(LED)光傳播方向到或來(lái)

13、自計(jì)算機(jī)銅線光纖網(wǎng)絡(luò)(2)光纖網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)源星形連接接收器發(fā)送器每根進(jìn)線照亮性型中所有線每根出線能看見(jiàn)所有進(jìn)線的光計(jì)算機(jī)接口光纖和銅線的比較光纖的優(yōu)點(diǎn)能處理更高的帶寬。具有相對(duì)較低的衰減。不受電源震蕩、電磁干擾以及電源故障的影響。不受腐蝕性化學(xué)物質(zhì)侵蝕。難以接入，具有高安全性。將來(lái)，凡是超過(guò)幾米距離的所有固定數(shù)據(jù)通信顯然都應(yīng)該使用光纖。電話公司的理由：光纖細(xì)小而且重量輕?？梢则v出管道空間，降低機(jī)械支撐系統(tǒng)的需要。2.3 無(wú)線傳輸2.3.1電磁波譜當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它們就會(huì)產(chǎn)生電磁波，而電磁波可以在空氣中傳播。電磁波每秒振動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為它的頻率f，可以用Hz來(lái)度量。兩個(gè)相鄰的波峰(或者波谷)之間的距

14、離稱(chēng)為波長(zhǎng)。在真空中，所有的電磁波按同樣的速度傳播，跟頻率無(wú)關(guān)。這個(gè)速度稱(chēng)為光速 c。在銅線或者光纖中，電磁波的速度大約是光速的2/3，并且和頻率稍有關(guān)系。f、 和c之間的基本關(guān)系是：f=c2.3.1電磁波譜(2)電磁波譜和它在通信中的用途無(wú)線電微波紅外光可見(jiàn)光X射線伽瑪射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星光纖地面微波AM無(wú)線電FM無(wú)線電海事通信2.3.1電磁波譜(3)電磁波可以承載的信息量與它的波長(zhǎng)有關(guān)。利用當(dāng)前技術(shù)，在低頻處每個(gè)赫茲編碼少量幾位信息是可以做到的，但是在高頻處通?？梢跃幋a8位信息，所以750MHz帶寬的同軸電纜可以承載幾個(gè)Gbps。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)跳頻擴(kuò)頻技術(shù)：發(fā)送方每秒幾百次地從一個(gè)頻率跳到

15、另一種頻率。直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻：移動(dòng)電話。2.3.2 無(wú)線電傳輸無(wú)線電波的特性與頻率有關(guān)。在低頻部分，無(wú)線電波能夠很好地穿透障礙物，但是隨著離開(kāi)源越來(lái)越遠(yuǎn)，能量急劇減少。在高頻部分，無(wú)線電傾向于按直線傳播，并且會(huì)受到障礙物的阻擋。無(wú)線電波會(huì)被雨水吸收。在所有頻段上，無(wú)線電波都會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。2.3.2無(wú)線電傳輸(2)(a) 在 VLF, LF和 MF波段，無(wú)線電波沿著地面?zhèn)鞑?b) 在 HF波段，無(wú)線電波被電離層折射回來(lái)地面波地球表面地球表面電離層2.3.3 微波傳輸 在100MHz以上的頻段內(nèi)，電波幾乎按直線傳播，因此它們可以被聚集成窄窄的一束。通過(guò)拋物線形狀的天線，

16、可以把所有的能量集中于一小束，從而獲得極高的信噪比，但是發(fā)射端和接收端的天線必須精確地相互對(duì)齊。而且，這種方向性也允許多個(gè)排成一行的發(fā)射器與多個(gè)排成一行的接收器進(jìn)行通信，只要它們的空間排布有規(guī)則，相互之間就不會(huì)干擾。在光纖出現(xiàn)之前的幾十年時(shí)間中，這種微波構(gòu)成了長(zhǎng)途電話傳輸系統(tǒng)的核心。 2.3.3 微波傳輸(2)微波傳輸?shù)娜秉c(diǎn)微波傳輸?shù)娜秉c(diǎn)：地球本身會(huì)阻擋微波的傳輸路徑。因此，需要一個(gè)中繼器。微波不能很好地穿透建筑物，會(huì)產(chǎn)生多路衰減。高頻段微波只有幾厘米的波長(zhǎng)，會(huì)被雨水吸收。微波傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)微波傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：不需要路權(quán)。相對(duì)比較廉價(jià)。電磁波譜的政策頻段分配問(wèn)題頻段分配問(wèn)題a) 選美比賽法：導(dǎo)致腐敗。

17、b) 抓鬮：c) 拍賣(mài)：給承運(yùn)商留下太多的債務(wù)。d) 根本不分配頻率，但是對(duì)所用的功率進(jìn)行管制：大多數(shù)政府留出一些頻段，稱(chēng)為ISM(Industrial，Scientific，Medical)用于非授權(quán)用戶。電磁波譜的政策(2)美國(guó)的ISM(Industrial，Scientific，Medical)頻段帶寬頻率藍(lán)牙和有些802.11無(wú)線LAN工作在這個(gè)頻段802.11a用到了這個(gè)頻段2.3.4 紅外線和毫米波 無(wú)導(dǎo)向的紅外線和毫米波有方向性、便宜、易于制造，廣泛應(yīng)用于短距離通信。 紅外線不能通過(guò)固體物質(zhì)，因此一個(gè)建筑物的某個(gè)房間中的一個(gè)紅外系統(tǒng)不會(huì)干擾相鄰房間或者相鄰建筑物內(nèi)的另一個(gè)類(lèi)似的系

18、統(tǒng)。所以無(wú)需政府批準(zhǔn)。 紅外通信在桌面環(huán)境中也有一定的用途，例如，將筆記本計(jì)算機(jī)與打印機(jī)連接起來(lái)。 在整個(gè)通信領(lǐng)域中，它并沒(méi)有重要的地位。2.3.5光波傳輸氣流可以干擾激光通信系統(tǒng) 。這里顯示了一個(gè)具有兩個(gè)激光源的雙向系統(tǒng)光接收器擾動(dòng)區(qū)大樓產(chǎn)生的熱氣流激光束偏離了接收器激光2.4 通信衛(wèi)星 早在20世紀(jì)50年代和60年代初期，人們嘗試?yán)媒饘倩臍庀髿馇驅(qū)π盘?hào)的反射作用來(lái)建立通信系統(tǒng)。后來(lái)，美國(guó)海軍通過(guò)月球?qū)π盘?hào)的反射作用建立了一個(gè)可實(shí)際運(yùn)行的船-岸通信系統(tǒng)。 第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射上天，天體通信領(lǐng)域有了進(jìn)一步發(fā)展。 想象成天空中一個(gè)大的微波中繼器。對(duì)近來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大，在另一個(gè)頻率上重新發(fā)射出去

19、。2.4 通信衛(wèi)星 通信衛(wèi)星和它們的一些特征，包括離地球的高度、上下往返的延遲時(shí)間、為覆蓋整個(gè)地球所需要的衛(wèi)星數(shù)高度(km) 類(lèi)型 延遲(ms) 需要的衛(wèi)星數(shù) 地球同步軌道 中間地球軌道 低地球軌道 上范艾倫帶 下范艾倫帶2.4.1 地球同步衛(wèi)星1962年第一顆人造通信衛(wèi)星(Telstar)發(fā)射上天，這些高空中飛行的衛(wèi)星通常稱(chēng)為GEO(Geostationary Earth Orbit，地球同步軌道)衛(wèi)星。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，在360 的赤道平面上，同步衛(wèi)星之間的距離小于2是不明智的。因此最多只能有180顆同步衛(wèi)星。軌道槽的分配問(wèn)題：由ITU完成。保持站位問(wèn)題：通過(guò)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)微調(diào)。2.4.1

20、地球同步衛(wèi)星(2)基本的衛(wèi)星頻段 地球同步衛(wèi)星的軌道槽和頻率分配工作是由ITU完成的。頻段下行鏈路上行鏈路帶寬問(wèn)題低帶寬，擁擠低帶寬，擁擠地面干擾雨水雨水，設(shè)備成本2.4.1 地球同步衛(wèi)星(3)第一顆地球同步衛(wèi)星只有一個(gè)空間波束，它大約可以覆蓋地球表面的1/3，這個(gè)范圍稱(chēng)為它的足跡足跡(footprint)。每顆同步衛(wèi)星都裝了多個(gè)天線和異頻發(fā)射應(yīng)答器。每個(gè)下行波束可以聚集到很小的地理區(qū)域中，所以多個(gè)上行和上行傳輸可以同時(shí)進(jìn)行。這些所謂的點(diǎn)波束點(diǎn)波束(spot beam)是橢圓形的，可以小到只有幾百公里。2.4.1 地球同步衛(wèi)星(4)使用中心站的VSAT低成本的微型站：VSAT(Very Sma

21、ll Aperture Terminals)。上行19.2kbps下行512kbps中心站2.4.1 地球同步衛(wèi)星(5)通信衛(wèi)星的特性：a)較長(zhǎng)的距離造成了相當(dāng)?shù)难舆t，GEO端到端的傳輸時(shí)間大約在250300ms之間。地面微波鏈路的傳輸延遲大致上是3s/km；同軸電纜和光纖鏈路大約是5s/km。b)天生是一種廣播介質(zhì)。向上千個(gè)站發(fā)送一條消息與發(fā)送給一個(gè)站的成本是一樣的。跨越海洋的會(huì)話服務(wù)不比跨越街道的會(huì)話服務(wù)更貴。c)加密是必需的。d)部署起來(lái)極為快速。2.4.2 中間軌道衛(wèi)星MEO(Medium-Earth Orbit，中間地球軌道中間地球軌道)衛(wèi)星比GEO低，所以在地面上的足跡要小一些，但

22、是功率弱一些的發(fā)射器也能夠到達(dá)這些衛(wèi)星。24顆GPS(Global Positioning System全球定位系統(tǒng) )衛(wèi)星的軌道大約在18000公里的高度。2.4.3 低軌道衛(wèi)星LEO(Low-Earth Orbit，低地球軌道低地球軌道) 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度極快，所以一個(gè)完整的系統(tǒng)需要大量的LEO衛(wèi)星。與地球相距如此之近，地面站不需要多大的功率，而且上下往返的延遲往往只有幾毫秒。Iridium(銥星計(jì)劃)1990年，Motolola向FCC提交申請(qǐng)，要求發(fā)射77棵低軌道衛(wèi)星用于銥計(jì)劃?；舅悸肥牵坏┮豢眯l(wèi)星移出了視線，另一棵衛(wèi)星立即就能替代它。1997年發(fā)射上天，1998年11月開(kāi)始提供通信服

23、務(wù)。1990年后移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，相反，衛(wèi)星電話的商業(yè)需求卻被忽略了。1999年8月宣布破產(chǎn)。2001年3月服務(wù)又重新開(kāi)始。依星計(jì)劃(2)(a)Iridium 的衛(wèi)星構(gòu)成了6條項(xiàng)鏈，覆蓋了整個(gè)地球(b)1628個(gè)移動(dòng)的蜂窩覆蓋了地球高度在750kmGlobalstara)Globalstar系統(tǒng)有48顆LEO衛(wèi)星，但是使用了不同于銥星的交換方案。由于銥星需要在衛(wèi)星之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以衛(wèi)星上要有復(fù)雜的交換設(shè)備，而Globalstar使用了傳統(tǒng)的彎曲管道設(shè)計(jì)。呼叫信號(hào)被送回到地球上。然后通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)該呼叫被路由到另外一個(gè)地面站(位于被呼叫者附近)，并且通過(guò)一個(gè)彎曲管道連接遞交給被呼叫者。Glob

24、alstar(a) Iridium在太空中轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)(b) Globalstar在地面上轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào) 在空中通過(guò)衛(wèi)星交換 彎曲管道衛(wèi)星 在地面上交換Teledesica)Teledesic的目標(biāo)是遍布全球的、對(duì)帶寬需求非常大的Internet用戶。b)上行鏈路100Mbps，下行鏈路720Mbps。c)30顆衛(wèi)星，使用Ka頻段。d)在空中分組交換。當(dāng)一個(gè)用戶需要帶寬來(lái)發(fā)送分組的時(shí)候，系統(tǒng)大約在50ms之內(nèi)接受請(qǐng)求，并完成動(dòng)態(tài)分配。衛(wèi)星和光纖a)1984年，電話公司開(kāi)始用光纖代替長(zhǎng)途電話網(wǎng)絡(luò)，并且引入了ADSL這樣的高帶寬服務(wù)。地面的光纖似乎是贏家。b)光纖基本上用于電話系統(tǒng)內(nèi)部，不是為用戶提供高帶寬

25、服務(wù)。但是，通過(guò)衛(wèi)星可以做到。c)光纖對(duì)移動(dòng)通信沒(méi)有任何用處，衛(wèi)星鏈路有這樣的潛力。蜂窩電話和光纖可以提供移動(dòng)通信，但是對(duì)于在空中或者海上的人來(lái)說(shuō)可能就不行了。d)通過(guò)衛(wèi)星大量發(fā)送信息比地面模擬廣播更加便宜。衛(wèi)星和光纖(2)a)適合位于惡劣地形或地面設(shè)施很差的地區(qū)通信。b)適用于很難獲得路權(quán)來(lái)鋪設(shè)光纖的地區(qū)，或者獲得路權(quán)的代價(jià)太高的地區(qū)。c)當(dāng)快速部署網(wǎng)絡(luò)顯得非常重要時(shí)，例如：軍事通信系統(tǒng)。d)看起來(lái)將來(lái)的主流通信是地面光纖與蜂窩無(wú)線電通信的結(jié)合，但是對(duì)于某些特殊用途，衛(wèi)星通信更有優(yōu)勢(shì)。如果部署衛(wèi)星的成本大大下降，或者低軌道衛(wèi)星抓住了市場(chǎng)機(jī)遇，光纖未必會(huì)贏。2.5 公共交換電話網(wǎng)絡(luò)a)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

26、者必須使用已有的電信設(shè)施。b)公共交換電話網(wǎng)絡(luò)公共交換電話網(wǎng)絡(luò) (PSTN，Public Switched Telephone Network)是多年前設(shè)計(jì)的，用于傳輸語(yǔ)音信號(hào)。勉強(qiáng)用于計(jì)算機(jī)通信。c)連接特性的比較1)計(jì)算機(jī)之間通過(guò)電纜連接：109bps。2)撥號(hào)線路：56kbps。3)ADSL連接：8Mbps下行，1Mbps上行。如何有效地使用公共交換電話網(wǎng)絡(luò)？2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)a)1876，Bell獲得了電話專(zhuān)利。一對(duì)電話一條線。b)1878，組建Bell電話公司，開(kāi)放第一個(gè)交換局。c)發(fā)明了二級(jí)交換局，最終增長(zhǎng)到5級(jí)。2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(2)a)1890年，電話系統(tǒng)的三個(gè)主

27、要部分已經(jīng)具備了：交換局、顧客與交換局之間的線路，交換局之間的長(zhǎng)距離連接。保持了100多年沒(méi)有變化。b)1984年之前，電話系統(tǒng)被組織成一個(gè)高度冗余的、多層次的結(jié)構(gòu)。每部電話機(jī)有兩根銅線伸出來(lái)，直接連接到電話公司最近的端局端局(end office)，這段距離通常是110km。每個(gè)用戶的電話機(jī)和端局之間的雙線連接稱(chēng)為本地回路本地回路(local loop)。如果世界上所有的本地回路都端到端連接起來(lái)，則其長(zhǎng)度相當(dāng)于到月球來(lái)回1000次的長(zhǎng)度。 2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(3)a)如果連接到某個(gè)端局的用戶呼叫另一個(gè)也連接到該端局的用戶，則局內(nèi)的交換機(jī)制會(huì)在這兩個(gè)本地回路之間建立起一個(gè)直接的電連接。在

28、通話過(guò)程中，這個(gè)連接保持不變。 b)每個(gè)端局都有一些長(zhǎng)途連接干線長(zhǎng)途連接干線(toll connection trunk)連接到一個(gè)或者多個(gè)附近的交換中心，這些交換中心稱(chēng)為長(zhǎng)途局長(zhǎng)途局(toll office)，如果它們?cè)谕粋€(gè)局部地區(qū)的話，則稱(chēng)為匯接局匯接局(tandem office)。2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(4)a)某個(gè)端局的用戶呼叫另一個(gè)端局的用戶。b)如果呼叫方和被呼叫方的端局碰巧都有一條長(zhǎng)途干線連接到同一個(gè)長(zhǎng)途局(如果他們相距很近的話，則這種可能性很大)，那么雙方的連接就可能在這個(gè)長(zhǎng)途局內(nèi)建立起來(lái)。 c)如果呼叫方和被呼叫方?jīng)]有共同的長(zhǎng)途局，那么他們之間的路徑將在更高層次上的某個(gè)

29、地方建立起來(lái)。初級(jí)局(primary office)、區(qū)域局(sectional office)和地區(qū)局(regional office)形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)途局連接到這一網(wǎng)絡(luò)中。 2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(5)a)長(zhǎng)途局、初級(jí)局、區(qū)域局和地區(qū)局通過(guò)高帶寬的內(nèi)部長(zhǎng)途中繼線(intertoll trunk，或者interoffice trunk)相互交換信息。不同種類(lèi)交換中心的數(shù)目以及它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著國(guó)家的不同而不同，這取決于每個(gè)國(guó)家的電話的密度。 本地回路 端局長(zhǎng)途局中心交換局長(zhǎng)途局 端局長(zhǎng)途連接干線很高帶寬的長(zhǎng)途局之間的干線長(zhǎng)途連接干線 本地回路2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(6)過(guò)去，整個(gè)電話系

30、統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)都是模擬的，實(shí)際的語(yǔ)音信號(hào)以電壓的形式從源端傳輸?shù)侥繕?biāo)端?，F(xiàn)在，所有的干線和交換設(shè)備都是數(shù)字的，只有本地回路仍然是模擬的。對(duì)于數(shù)字傳輸而言，只需要能夠正確地區(qū)分0和1就足夠了。這種特性使得數(shù)字傳輸比模擬傳輸更加可靠，維護(hù)更加容易，維護(hù)成本也要便宜。 2.5.1電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(7)電話系統(tǒng)是由三個(gè)主要的部件構(gòu)成的(1) 本地回路本地回路(雙絞線進(jìn)入家庭和業(yè)務(wù)部門(mén)，模擬信號(hào))；這個(gè)系統(tǒng)中最為脆弱的鏈路。(2) 干線干線(通過(guò)光纖將交換局連接起來(lái)，數(shù)字信號(hào))；如何將多個(gè)呼叫收集起來(lái)，并且通過(guò)同一條光纖將它們發(fā)送出去。這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為多路復(fù)用。(3) 交換局交換局(電話呼叫從一條干線接入到另

31、一條干線)。電路交換與分組交換。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)1984年1月1日，AT&T公司被分解為AT&T長(zhǎng)話公司(AT&T Long Lines)、23個(gè)BOC(Bell Operating Company，Bell運(yùn)行公司)和其他一些部門(mén)。23個(gè)BOC又被組織成7個(gè)區(qū)域性BOC(RBOC)，以便使它們?cè)诮?jīng)濟(jì)上可以繼續(xù)生存下去。這次事件導(dǎo)致了更為激烈的競(jìng)爭(zhēng)、更好的服務(wù)，以及更低的長(zhǎng)途電話價(jià)格。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(2)整個(gè)美國(guó)分成164個(gè)LATA(Local Access and Transport Areas，本地訪問(wèn)和傳輸區(qū)域本地訪問(wèn)和傳輸區(qū)域)。粗

32、略地來(lái)說(shuō)，一個(gè)LATA是指可以由一個(gè)地區(qū)碼來(lái)覆蓋的大 區(qū) 域 。 在 每 個(gè) L ATA 的 內(nèi) 部 ， 只 有 一 個(gè)LEC(Local Exchange Carrier，本地交換承運(yùn)商本地交換承運(yùn)商)，它壟斷了該區(qū)域內(nèi)部的傳統(tǒng)電話服務(wù)。但是，禁止LEC提供跨LATA的電話服務(wù)。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(3)LATA之間的所有流量是由另一種不同類(lèi)型的公司IXC(IntereXchange Carrier，跨區(qū)域交換承運(yùn)商跨區(qū)域交換承運(yùn)商)來(lái)處理的。但是，禁止IXC提供本地電話業(yè)務(wù)。確保所有的IXC在線路質(zhì)量、價(jià)格，以及顧客為了使用IXC而撥打的電話號(hào)碼位數(shù)等方面，都能夠被同等對(duì)待。最初

33、，AT&T長(zhǎng)話公司是惟一正式的IXC，但是現(xiàn)在WorldCom和Sprint公司也是組建良好的IXC業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)者。2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(4)LATA, LEC和IXC之間的關(guān)系. 所有的圓圈都是 LEC交換局，每個(gè)六邊形都屬于某一個(gè) IXC，內(nèi)部的數(shù)字標(biāo)明了該IXC的號(hào)碼2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(5)任何一個(gè)IXC，如果它想處理來(lái)自某個(gè)LATA的呼叫 ， 則 可 以 在 這 個(gè) L ATA 中 建 立 一 個(gè) 稱(chēng) 為POP(Point of Presence，匯接點(diǎn)匯接點(diǎn))的交換局。LEC負(fù)責(zé)將每個(gè)IXC連接到每個(gè)端局，可以是直接的連接，也可以是間接的連接。而且，這種連接關(guān)系

34、，無(wú)論從技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面來(lái)看，對(duì)所有的IXC都必須一視同仁。 2.5.2 電話業(yè)中的政治學(xué)(6)技術(shù)的發(fā)展：有線電視和移動(dòng)電話。法律變得過(guò)時(shí)：LEC和IXC購(gòu)買(mǎi)或兼并有線電視和移動(dòng)電話運(yùn)營(yíng)商。維護(hù)各種公司之間的業(yè)務(wù)界限不再可行。1996年法案的新思路：任何公司都可以提供全套的綜合服務(wù)，在服務(wù)和價(jià)格上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。有趣的特點(diǎn)：要求LEC實(shí)現(xiàn)本地電話號(hào)碼的可移動(dòng)性，從而加劇了競(jìng)爭(zhēng)。2.5.3 本地回路 從計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)的呼叫同時(shí)用到了模擬和數(shù)字傳輸，在調(diào)制解調(diào)器和編碼解碼器之間完成數(shù)模轉(zhuǎn)換 調(diào)制解調(diào)器 本地回路(模擬，雙絞線) 中帶寬干線(數(shù)字，光纖) 端局高帶寬干線(數(shù)字，光纖) 數(shù)字線1000

35、0條本地回路 調(diào)制解調(diào)器群最后一公里2.5.3 本地回路(2)1)衰減(attenuation)：衰減是指在信號(hào)往外傳播的過(guò)程中能量的損失。傅立葉級(jí)數(shù)中的一些分量。每個(gè)分量被衰減的程度不一樣，因而導(dǎo)致了在接收方得到一個(gè)完全不同的傅立葉頻譜。 2)延遲畸變(delay distortion)：不同的傅立葉分量在線路上的傳播速度也不同。這種速度的差異會(huì)導(dǎo)致接收端信號(hào)的畸變。 3)噪聲(noise)：指一些來(lái)自于非發(fā)射器的多余能量。熱噪聲、串音、脈沖噪聲。 2.5.3 調(diào)制解調(diào)器a)衰減和延遲畸變都與頻率有關(guān)。 但是，在數(shù)字信號(hào)中使用的方波有一個(gè)很寬的頻譜，因而它的衰減和延遲畸變很?chē)?yán)重。所以基帶(D

36、C)信號(hào)只能在低速和短距離的情況下使用。b)采用交流(AC)信號(hào)傳輸。引入1000-2000Hz范圍內(nèi)的一個(gè)連續(xù)波，稱(chēng)為正弦載波正弦載波(sine wave carrier)。它的振幅、頻率或相位被調(diào)制后可用來(lái)傳輸信息。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(2)一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻相位調(diào)制相位改變處2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(2)a)如果一個(gè)設(shè)備接受一個(gè)位序列作為輸入，并且產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)以上一種(或者多種)方法調(diào)制的載波輸出(或者輸入輸出正好相反)，則這樣的設(shè)備稱(chēng)為調(diào)制調(diào)制解調(diào)器解調(diào)器(modem，代表代表modulator-demodulator)。b)調(diào)制解調(diào)器位于計(jì)算機(jī)(數(shù)字)和電話系統(tǒng)(模擬)之間。大多

37、數(shù)調(diào)制解調(diào)器采樣率為2400次/秒，為了獲得更高的速度，研究的焦點(diǎn)集中在每次采樣如何表達(dá)更多的位信息。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(3) 采樣率為2400次/秒就是說(shuō)每秒傳輸2400個(gè)碼元。如果該碼元用0伏電壓表示邏輯0， 1伏電壓表示邏輯1，則位傳輸率為2400bps。然而，如果0、1、2和3伏電壓都使用的話，則每個(gè)碼元可以包含2位，因此，2400波特的線路可以傳輸2400碼元/秒，數(shù)據(jù)傳輸率為4800bps。 使用四種可能的相移的話，每個(gè)碼元也可以表達(dá)2位。這種技術(shù)稱(chēng)為QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控正交相移鍵控)。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(4)1

38、)帶寬：在最小衰減的情況下能夠通過(guò)這種介質(zhì)的頻率范圍。它是介質(zhì)的一種物理特性，度量單位為Hz(赫茲)。2)波特率：每秒鐘的采樣次數(shù)。3)碼元：每次采樣發(fā)送的一份信息。因此，波特率和碼元率是相同的。4)位傳輸率：一條信道上發(fā)送的信息的數(shù)量，它等于每秒采樣數(shù)乘以每次采樣的位數(shù)。 2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(5)QPSK：每個(gè)碼元傳輸2位QAM-16：每個(gè)碼元傳輸4位QAM-64：每個(gè)碼元傳輸6位a)振幅和相位的合法組合，這些圖形稱(chēng)為星座圖星座圖。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(6)a)糾錯(cuò)機(jī)制：TCM (Trellis Coded Modulation，格子格子架編碼調(diào)制架編碼調(diào)制)。b)V.32標(biāo)準(zhǔn)使用了3

39、2個(gè)星座點(diǎn)，每個(gè)碼元傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，在2400波特率上可以達(dá)到9600bps(帶糾錯(cuò)特性)。V.32bis的星座模型有128個(gè)點(diǎn)，每次采樣傳輸6個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)奇偶校驗(yàn)位。c)V.34標(biāo)準(zhǔn)每次采樣傳輸12個(gè)數(shù)據(jù)位，28.8kbps。 V.34bis標(biāo)準(zhǔn)每次采樣傳輸14個(gè)數(shù)據(jù)位，33.6kbps。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(7)(a) 傳輸速率為9600 bps的 V.32，4個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位。(b) 傳輸速率為14,400 bps的 V32 bis， 6個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位。(a)(b)2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(8)a)為什么標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器在33.6kbps上停?。侩娫捪到y(tǒng)

40、的香農(nóng)限制大約是35kbps。 35kbps與本地回路平均長(zhǎng)度，以及這些線路的質(zhì)量有關(guān)。如果消除一端的本地回路，則最大速率可以增加一倍，即70kbps。b)為什么使用56kbps調(diào)制解調(diào)器？電話信道的帶寬大約是4000Hz(包括防護(hù)頻段)。根據(jù)尼奎斯特定理，最大采樣次數(shù)為8000。在美國(guó)，每次采樣位數(shù)是8，其中數(shù)據(jù)位是7位，所以允許用戶每秒傳輸56000位。2.5.3 調(diào)制解調(diào)器(9)a)V.90標(biāo)準(zhǔn)提供33.6kbps的上行信道(從用戶到ISP)和56kbps的下行信道(從ISP到用戶)。b)V.92標(biāo)準(zhǔn)：如果線路允許，上行信道可以達(dá)到48kbps。2.5.3 數(shù)字用戶線路電話公司(LEC)

41、開(kāi)始意識(shí)到，他們需要一種更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。他們給出的答案是：利用本地回路提供新的數(shù)字服務(wù)。 開(kāi)始的時(shí)候，有許多相互重疊的服務(wù)都使用了xDSL(Digital Subscriber Line，數(shù)字用戶線路數(shù)字用戶線路)這樣的一般性名稱(chēng)，只是x不同而已。下面我們將討論這些服務(wù)，但是主要焦點(diǎn)集中在一種可能會(huì)變得最為流行的服務(wù)上：ADSL(Asymmetric DSL，非對(duì)稱(chēng)非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線路數(shù)字用戶線路)。 2.5.3 數(shù)字用戶線路(2) 調(diào)制解調(diào)器為什么慢調(diào)制解調(diào)器為什么慢？電話的發(fā)明是為了承載人類(lèi)的語(yǔ)音。每條本地回路都在端局那里被終止，就在這個(gè)終止的點(diǎn)上，有一個(gè)濾波器把所有300Hz以下、340

42、0Hz以上的頻率都減弱了。 使使xDSL工作的訣竅工作的訣竅是，本地回路被連接到另一種不同的交換機(jī)上，這種交換機(jī)上沒(méi)有濾波器。于是，限制的因素就變成了本地回路的物理特性，而不再是人工加入的濾波器所建立起來(lái)的3100Hz帶寬限制。 2.5.3 數(shù)字用戶線路(3)3類(lèi) UTP用于DSL時(shí)帶寬與距離的關(guān)系.當(dāng)電話公司承諾提供某一速度的傳輸率的時(shí)候，它也同時(shí)劃定了一個(gè)以端局為中心的圓。2.5.3 數(shù)字用戶線路(4)所有的xDSL服務(wù)都有一些特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。1) 這些服務(wù)必須在現(xiàn)有的3類(lèi)雙絞線本地回路上工作。2) 它們不能影響顧客原來(lái)的電話機(jī)和傳真機(jī)。3) 它們必須比56kbps還要快。4) 這些服務(wù)應(yīng)

43、該總是可用的，并且按月租方式收費(fèi)，而不是按每分鐘收費(fèi)。2.5.3 數(shù)字用戶線路(5)最初的ADSL服務(wù)是AT&T公司提供的，它的工作原理是，將本地回路上可供使用的頻譜(大約是l.1MHz)分成三個(gè)頻段：1) POTS(Plain Old Telephone Service，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單電傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單電話服務(wù)話服務(wù))、2) 上行數(shù)據(jù)流(從用戶到端局)3) 下行數(shù)據(jù)流(從端局到用戶)。使用多個(gè)頻段范圍的技術(shù)稱(chēng)為頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用 。2.5.3 數(shù)字用戶線路(6)使用DMT(Discrete MultiTone，離散的多信道調(diào)制)的ADSL頻譜劃分方案256條4kHz的信道下行數(shù)據(jù)流上行數(shù)

44、據(jù)流語(yǔ)音功率2.5.3 數(shù)字用戶線路(3)一個(gè)典型的 ADSL設(shè)備配置圖電話線電話分離器計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)分離器編解碼器電話公司端局用戶語(yǔ)音交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備 1996 年以后，在美國(guó)等國(guó)家，允許其它公司開(kāi)展本地電話服務(wù)。 如何將顧客的電話機(jī)和計(jì)算機(jī)連接到新開(kāi)張的端局呢?購(gòu)買(mǎi)必要的路權(quán)并且鋪設(shè)電話線或者光纖可能會(huì)非常昂貴。許多競(jìng)爭(zhēng)者發(fā)現(xiàn)了一種比傳統(tǒng)的雙絞線本地回路更加廉價(jià)的方案：WLL(Wireless Local Loop，無(wú)線本地回路)。2.5.3 無(wú)線本地回路 三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)區(qū)別：1)無(wú)線本地回路的消費(fèi)者通常希望具備高速的Internet連接能力，其速度至少等于ADSI。2)新的顧客可能并不介

45、意在他家的屋頂上安裝一個(gè)大的有向天線指向端局。3)用戶并不移動(dòng)，從而消除了因?yàn)橐苿?dòng)和蜂窩之間移交而帶來(lái)的所有問(wèn)題。 2.5.3 無(wú)線本地回路-2 1998年，2.1GHz，每個(gè)頻道各6MHz，2.5GHz，總共198MHz (31個(gè)頻道)用于無(wú)線本地回路。 在這些頻率上，微波的波長(zhǎng)是1012cm長(zhǎng)。它們的傳輸范圍大約是50km，穿透植物和雨水的能力還算可以。所提供的服務(wù)名稱(chēng)為MMDS(Multichannel Multipoint Distribution Service，多信道多點(diǎn)分發(fā)服務(wù))。2.5.3 無(wú)線本地回路-3 隨著砷化鎵集成電路的發(fā)明，毫米波用于無(wú)線通信的大門(mén)也隨之被打開(kāi)了。 F

46、CC對(duì)這種需求做出了響應(yīng)，它將1.3GHz分配給一種新的無(wú)線本地回路服務(wù)，稱(chēng)為L(zhǎng)MDS(Local Multipoint Distribution Service，本地多點(diǎn)分發(fā)服務(wù))。這次FCC分配了大量的帶寬，足夠任何人使用。歐洲在40GHz以上。2.5.3 無(wú)線本地回路-42.5.3 無(wú)線本地回路-5LMDS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)每個(gè)天線定義了一個(gè)扇區(qū)。36MHz的下行數(shù)據(jù)流和1MHz的上行數(shù)據(jù)流 IEEE建立了一個(gè)名為802.16的委員會(huì)，由它為L(zhǎng)MDS擬定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。2002年4月，802.16已經(jīng)發(fā)布了，稱(chēng)為無(wú)線MAN(Metropolitan Area Network，城域網(wǎng)) 。 IEEE 8

47、02.16的應(yīng)用目標(biāo)是：數(shù)字電話、 Internet訪問(wèn)、連接兩個(gè)遠(yuǎn)距離的LAN、電視和電臺(tái)廣播等。2.5.3 無(wú)線本地回路-6 在一條物理干線上盡可能地并發(fā)傳輸多個(gè)會(huì)話。1) FDM(Frequency Division Multiplexing，頻分多路復(fù)用)：頻譜被分成頻段，每個(gè)用戶可以單獨(dú)擁有某個(gè)頻段。2) TDM(Time Division Multiplexing，時(shí)分多路復(fù)用)：用戶輪流(循環(huán)法)獲得整個(gè)帶寬，每次僅使用一小段時(shí)間。 2.5.4 干線和多路復(fù)用 2.5.4 頻分多路復(fù)用(a) 原來(lái)的帶寬、(b) 被升頻之后的帶寬、(b) 復(fù)用之后的信道衰減系數(shù)頻率 信道1 信道2

48、 信道3頻率頻率 信道1 信道3 信道22.5.4 波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用 光纖1光譜 光纖2光譜 光纖3光譜 光纖4光譜共享光纖上的光譜 光纖1 光纖2 光纖3 光纖4 組合器 長(zhǎng)距離的共享光纖 分離器 過(guò)濾器2.5.4 波分多路復(fù)用-2 1990年：8條信道，每條信道的帶寬為2.5Gbps。 1998年：40條信道，每條信道的帶寬為2.5Gbps。 2001年：96條信道(每條信道的帶寬為10Gbps，總共960Gbps)的產(chǎn)品。這樣的帶寬足夠每秒鐘傳輸30部全長(zhǎng)度的電影(MPEG-2格式)。 具有200條信道的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)可以工作了。 這樣的系統(tǒng)通常稱(chēng)為DWDM(Dense WD

49、M，密集WDM)。 2.5.4 波分多路復(fù)用-3 通過(guò)在不同的波長(zhǎng)上并行地運(yùn)行多條信道，則聚合起來(lái)的帶寬就會(huì)隨著信道的數(shù)量而線性增加。由于單根光纖的帶寬大約為25000GHz(見(jiàn)圖2.6)，所以，從理論上算，即使在每赫茲1位的情況下(更高的速率也是可能的)，仍有2500條10Gbps信道的發(fā)展空間 . 以前，每100公里就必須分離出所有的信道，并將每條信道轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便單獨(dú)放大，然后重新轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再將所有的信道組合起來(lái)?，F(xiàn)在，全光放大器可以重新產(chǎn)生整個(gè)信號(hào)，每隔1000公里做一次，不需要再進(jìn)行多次光-電轉(zhuǎn)換了。 2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用電話系統(tǒng)中大量的銅線該怎么辦? FDM仍然被用于銅

50、線或者微波信道，但是，它要求模擬電路，并且不適合由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。 TDM則可以完全由數(shù)字電路來(lái)處理，但是，它只能用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。由于本地回路產(chǎn)生的是模擬信號(hào)，所以，在端局需要執(zhí)行一個(gè)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，而在端局中，所有的本地回路聚集到一起，并組合到少量的輸出干線上。 2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-2 模擬信號(hào)在端局中被數(shù)字化，這項(xiàng)工作是由一個(gè)稱(chēng)為編解碼器的設(shè)備來(lái)完成的，它產(chǎn)生一個(gè)8位數(shù)字序列。編解碼器每秒鐘采樣8000次(每次采樣125s)，因?yàn)槟峥固囟ɡ肀砻?，?duì)于4kHz電話信道的帶寬而言，這樣的采樣率足以捕獲所有的信息。這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為PCM(Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)

51、制)。PCM構(gòu)成了現(xiàn)代電話系統(tǒng)的核心。2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-32.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-4 T1 線路 (80001931.544 Mbps).第1位是成幀碼每次采樣每個(gè)信道7個(gè)數(shù)據(jù)位第8位用于信令信道信道信道信道信道193位的幀2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-5 用統(tǒng)計(jì)技術(shù)來(lái)減少每條信道所需要的位數(shù)。這些技術(shù)不僅僅只適用于編碼語(yǔ)音信號(hào)，也可以用于其他任何模擬信號(hào)的數(shù)字化處理。所有的壓縮方法依據(jù)的原理是，信號(hào)的變化相對(duì)于采樣頻率而言比較慢，所以7位或者8位數(shù)字級(jí)別中的大部分信息是多余的。 2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-6 差分脈沖編碼調(diào)制(differential pulse code modula

52、tion)，它的輸出并不是數(shù)字化的振幅本身，而是當(dāng)前值與前一個(gè)值之差。因?yàn)樵?28的尺度上，16或者更大的跳躍可能性不大，所以5位應(yīng)該足夠了，而不需要7位。如果信號(hào)偶爾有很大的跳躍，則編碼邏輯部分可能需要幾個(gè)采樣周期才能“趕上”它。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，這種因?yàn)榕紶柕奶S而引入的錯(cuò)誤可以忽略。 2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-7增量調(diào)制采樣間隔發(fā)送的位流相鄰樣本總是差1信號(hào)變化太快，編碼跟不上數(shù)字化級(jí)值2.5.4 時(shí)分多路復(fù)用-8更高階線路上多路復(fù)用的T1流.4個(gè)T1輸入流1個(gè)T2輸出流7個(gè)T2輸入流6個(gè)T3輸入流復(fù)用是按位完成的 復(fù)用是按字節(jié)完成的 本地電話公司必須連接到多家長(zhǎng)途電話承運(yùn)商，而這些承運(yùn)商各

53、有不同的光纖TDM系統(tǒng)。 Bellcore開(kāi)始制定標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為SONET(Synchronous Optical NETwork，同步光網(wǎng)絡(luò))。 CCITT建議稱(chēng)為SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字系列) 。2.5.4 SONET/SDH1.SONET必須使不同的承運(yùn)商可以協(xié)同工作。2.統(tǒng)一美國(guó)、歐洲和日本的數(shù)字系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都基于64kbps的PCM信道，但是，這些信道被組合起來(lái)的方式卻各不相同，而且互不兼容。3.復(fù)用多條數(shù)字信道。 4.必須支持操作(operation)、管理(administration)和維護(hù)(maintenance)，即OAM。

54、2.5.4 SONET/SDH-2基本的SONET幀是每125s間隔中送出810字節(jié)的數(shù)據(jù)塊。由于SONET是同步的，所以，不管是否有實(shí)際要發(fā)送的數(shù)據(jù)，幀都存在。每秒8000幀的速率正好符合所有數(shù)字電話系統(tǒng)中使用的PCM信道的采樣率。SONET系統(tǒng)每秒鐘傳輸8000次，每次88106480位，因而總的數(shù)據(jù)傳輸率為51.84Mbps。這是基本的SONET信道，稱(chēng)為STS-1(Synchronous transport Signal-1，同步傳輸信號(hào))。所有的SONET干線都是STS-1的倍數(shù)。 2.5.4 SONET/SDH-32.5.4 SONET/SDH-4兩個(gè)背靠背的 SONET 幀3列用

55、于系統(tǒng)管理信息開(kāi)銷(xiāo)9行87列Sonet幀Sonet幀段開(kāi)銷(xiāo)線路開(kāi)銷(xiāo)路徑開(kāi)銷(xiāo)SPE：Synchronous Payload Envelope，同步凈荷包封線路開(kāi)銷(xiāo)的第一行指向SPE的第一個(gè)字節(jié)2個(gè)字節(jié)有固定模式SONET標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)光接口層。1.光子層(Photonic Layer)處理跨越光纜的比特傳送，并負(fù)責(zé)進(jìn)行同步傳送信號(hào)STS的電信號(hào)和光載波OC的光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。在此層由電光轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信。2.段層(Section Layer) 在光纜上傳送STS-N幀，有成幀和差錯(cuò)檢測(cè)功能。3.線路層(Line Layer) 負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用，以及交換的自動(dòng)保護(hù)。4.路徑層(Path Lay

56、er)處理路徑端接設(shè)備PTE(Path terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸，這里PTE是具有SONET能力的交換機(jī)。路徑層還具有與非SONET網(wǎng)絡(luò)的接口。2.5.4 SONET/SDH-5 2.5.4 SONET/SDH-62.5.4 SONET/SDH-7SONET 和 SDH復(fù)用率數(shù)據(jù)傳輸率電的光的光的總的用戶電話系統(tǒng)分為兩大基本部分：局外部分(本地回路和干線，因?yàn)閺奈锢砦恢脕?lái)看，它們位于交換局的外部)和局內(nèi)部分(交換機(jī)，它們?cè)诮粨Q局的內(nèi)部)。電話系統(tǒng)中用到了兩種不同的交換技術(shù)：電路交換和分組交換。 當(dāng)你或者你的計(jì)算機(jī)呼叫一個(gè)電話的時(shí)候，電話系統(tǒng)的交換設(shè)備就會(huì)尋找一條

57、從你的電話通向接收方電話的物理路徑。這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為電路交換(circuit switching)。2.5.5 交換2.5.5 電路交換(a) 電路交換、(b) 分組交換交換局呼叫時(shí)建立物理銅線連接分組排隊(duì)以便順序傳輸電路交換的一個(gè)重要特點(diǎn)是，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要建立一條端到端的路徑。從撥完號(hào)碼到開(kāi)始響鈴，這段時(shí)間很有可能達(dá)到10秒鐘，長(zhǎng)途電話或者國(guó)際電話所需要的時(shí)間更長(zhǎng)。在這段時(shí)間間隔中，電話系統(tǒng)正在尋找路徑，如圖239(a)所示。請(qǐng)注意，在開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)之前，呼叫請(qǐng)求信號(hào)必須一路傳向目標(biāo)，并且沿途要被確認(rèn)。對(duì)于許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)(比如銷(xiāo)售點(diǎn)的信用卡驗(yàn)證)，長(zhǎng)時(shí)間的建立過(guò)程是不合適的。 2.5.5

58、電路交換-2在電話呼叫雙方之間保留一條路徑帶來(lái)的好處是，一旦連接建立完成，則惟一的數(shù)據(jù)傳輸延遲是電磁信號(hào)的傳輸時(shí)間，每1000公里大約5ms。建立路徑的另一個(gè)好處是，沒(méi)有擁塞的危險(xiǎn)，也就是說(shuō)，一旦電話呼叫已經(jīng)接通，你永遠(yuǎn)不會(huì)再聽(tīng)到忙信號(hào)。當(dāng)然，在建立連接之前，可能由于交換能力不足，或者干線傳輸能力不足，你會(huì)聽(tīng)到忙信號(hào)。 2.5.5 電路交換-3報(bào)文交換(message switching)，如圖239(b)所示。當(dāng)使用這種交換形式的時(shí)候，在發(fā)送方和接收方之間事先并沒(méi)有建立物理路徑。相反，當(dāng)發(fā)送方有一塊數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候，它被存儲(chǔ)在第一個(gè)交換局(即路由器)中，以后再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一次一級(jí)地中轉(zhuǎn)。每塊數(shù)

59、據(jù)都會(huì)被完整地接收下來(lái)，并檢查錯(cuò)誤，然后再重新轉(zhuǎn)發(fā)。使用這項(xiàng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)(store-and-forward network) 。 2.5.5 報(bào)文交換2.5.5 報(bào)文交換-2圖2.39 (a) 電話交換 (b)報(bào)文交換 (c) 分組交換呼叫請(qǐng)求信號(hào)呼叫接受信號(hào)傳播延遲排隊(duì)延遲2.5.5 分組交換分組交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)于數(shù)據(jù)塊的大小有一個(gè)很?chē)?yán)格的上限，這使得這些分組可以被緩存在路由器的主內(nèi)存中，而不是磁盤(pán)上。由于分組交換網(wǎng)絡(luò)可以保證用戶不會(huì)霸占通信線路很長(zhǎng)時(shí)間(毫秒級(jí))，所以它非常適合用來(lái)處理交互式通信流量。 如果一個(gè)報(bào)文包含了多個(gè)分組，那么，在后一個(gè)分組完全到達(dá)之前，前一個(gè)分組就可以

60、被轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣不僅降低了延遲，而且也提高了系統(tǒng)的吞吐量。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常是分組交換的，偶爾也會(huì)是電路交換的，但絕對(duì)不會(huì)是報(bào)文交換的。 2.5.5 分組交換-22.6 移動(dòng)電話系統(tǒng) 無(wú)線電話有兩種基本的流行方式：無(wú)繩電話無(wú)繩電話和移動(dòng)電移動(dòng)電話話(有時(shí)候也稱(chēng)為蜂窩電話蜂窩電話(cell phone)。 移動(dòng)電話(mobile phone)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了三代發(fā)展，每一代有不同的技術(shù)： 1) 模擬語(yǔ)音模擬語(yǔ)音。2) 數(shù)字語(yǔ)音數(shù)字語(yǔ)音。3) 數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù)數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù)(Internet、e-mail等)。 2.6 移動(dòng)電話系統(tǒng)-2政策和細(xì)微的市場(chǎng)決策如何產(chǎn)生巨大影響？第一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)由AT&T設(shè)計(jì)，全美只有一個(gè)系統(tǒng)。歐洲每個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)自己的系