物理層的基本概念和互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)課件

物理層的基本概念和互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識

2.3物理層下面的傳輸媒體 2.4信道復用技術(shù)2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)

重點：物理層的任務(wù)幾種常用的信道復用技術(shù)幾種常用的互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)難點：數(shù)據(jù)通信的相關(guān)知識2.1物理層的基本概念物理層協(xié)議的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機幾個術(shù)語數(shù)據(jù)(data)——運送信息的實體。信號(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)?！澳M的”(analogous)——連續(xù)變化的。“數(shù)字的”(digital)——取值是離散數(shù)值。2.2.2編碼與調(diào)制通常人們將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為編碼(coding)，而將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為調(diào)制(modulation)。2.2.4傳輸方式

1.并行傳輸和串行傳輸并行傳輸，是指一次發(fā)送n個比特而不是一個比特，為此，在發(fā)送端和接收端之間需要有n條傳輸線路。串行傳輸，是指數(shù)據(jù)是一個比特一個比特依次發(fā)送的，因此在發(fā)送端和接收端之間只需要一條傳輸線路即可。2.異步傳輸和同步傳輸同步就是指收發(fā)雙方在時間基準上保持一致的過程。異步傳輸和同步傳輸是指兩種采用不同同步方式的傳輸方式異步傳輸以字節(jié)為獨立的傳輸單位，字節(jié)之間的時間間隔不是固定的，接收端僅在每個字節(jié)的起始處對字節(jié)內(nèi)的比特實現(xiàn)同步。同步傳輸以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸，要采取技術(shù)使收發(fā)雙方的時鐘保持同步（外同步或內(nèi)同步）3.單工、半雙工和全雙工單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。2.3物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調(diào)幅無線電

調(diào)頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1導引型傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜光線在光纖中的折射折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖2.3.2非導引型傳輸媒體無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛(wèi)星通信

2.4信道復用技術(shù)復用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。2.4信道復用技術(shù)2.4.1頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用頻分復用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

頻分復用頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶統(tǒng)計時分復用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用2.4.2波分復用WDM波分復用就是光的頻分復用。光復用器（合波器）光分用器（分光器）光纖波長2波長1波長3波長2波長1波長31

+2

+32.4.3碼分復用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(3-4)CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)

2.5.1PCM速率體制將模擬電話信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號目前采用的都是脈沖編碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)技術(shù)，將一路模擬電話信號轉(zhuǎn)換為64kbit/s的PCM數(shù)字脈沖信號。為了充分利用高速傳輸線路的帶寬，通常將多路PCM信號用TDM方法匯集成時分復用幀，按某種固定的復用結(jié)構(gòu)進行長途傳輸。兩個互不兼容的PCM復用速率標準：即北美體制和歐洲體制。2.5.2SONET/SDH早期的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標準不統(tǒng)一。如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。

不是同步傳輸。在過去相當長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準同步方式。

同步光纖網(wǎng)SONET同步光纖網(wǎng)SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第1級同步傳送信號STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號則稱為第1級光載波OC-1，OC表示OpticalCarrier。

同步數(shù)字系列SDH

ITU-T以美國標準SONET為基礎(chǔ)，制訂出國際標準同步數(shù)字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可認為SDH與SONET是同義詞。SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當于SONET體系中的OC-3速率。線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520*OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080*OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/sSONET的OC級/STS級與SDH的STM級的對應關(guān)系

SDH/SONET傳輸網(wǎng)SDH/SONET傳輸網(wǎng)是一種基于DH/SONET標準的同步TDM多路復用網(wǎng)絡(luò)可以方便地為其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供各種所需帶寬的電路，并復用底層傳輸媒體的帶寬，其中最典型的傳輸媒體就是光纖例如：SDH/SONET傳輸網(wǎng)可以很方便地為兩個因特網(wǎng)主干路由器之間提供一條點到點的高速鏈路

2.5.3光網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)SDH/SONET傳輸網(wǎng)絡(luò)由光傳輸系統(tǒng)和交換結(jié)點的電子設(shè)備組成全光網(wǎng)AON(AllOpticalNetwork)用光網(wǎng)絡(luò)結(jié)點代替原來交換結(jié)點的電子設(shè)備，組成以端到端光通道為基礎(chǔ)的全光傳輸網(wǎng)，避免因光/電轉(zhuǎn)換所帶來的帶寬瓶頸，而路由器等電信號處理設(shè)備在邊緣網(wǎng)絡(luò)連接用戶終端設(shè)備。

2.5.3光網(wǎng)絡(luò)光傳送網(wǎng)OTN(OpticalTransportNetwork)

作為向全光網(wǎng)絡(luò)進行演進的過渡技術(shù)，以光波分復用技術(shù)為基礎(chǔ)，直接在光域上對不同波長的信號實現(xiàn)交叉連接和分插復用，以波長級業(yè)務(wù)為處理單位，支持多種上層業(yè)務(wù)，如SDH/SONET，ATM，IP，MPLS等等。

2.5.3光網(wǎng)絡(luò)2000年以后，自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON(AutomaticSwitchedOpticalNetwork)在光傳送網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了智能控制的很多方法，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行光通路的動態(tài)建立和拆除，實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)按需分配和自動調(diào)度與管理。目前，結(jié)合ASON的OTN正在成為新一代的數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)。2.6互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)接入技術(shù)解決的就是最終用戶接入本地ISP“最后一公里”的問題。通常，人們將端系統(tǒng)連接到ISP邊緣路由器的物理鏈路及相關(guān)設(shè)備的集合稱為接入網(wǎng)AN(accessnetwork)。接入：將端系統(tǒng)連接到邊緣路由器2.6.1電話網(wǎng)撥號接入通過撥號調(diào)制解調(diào)器接入(非寬帶接入)允許最高56Kbps接入速率(通常會更低)不能同時上網(wǎng)和打電話不提供持續(xù)連接路由器調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器因特網(wǎng)服務(wù)提供者(ISP)住宅用戶電話網(wǎng)至因特網(wǎng)…PC機2.6.2ADSL接入ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）

技術(shù)用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內(nèi)，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。ADSL技術(shù)就把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用?！胺菍ΨQ”是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠遠大于上行（從用戶到ISP）帶寬。ADSL的極限傳輸距離ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。ADSL的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調(diào)制解調(diào)器。我國目前采用的方案是離散多音調(diào)DMT(DiscreteMulti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT技術(shù)的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)約1100kHzADSL的數(shù)據(jù)率由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此ADSL采用自適應調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質(zhì)量。ADSL不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線

電話分路器

區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至ISP居民家庭基于ADSL的接入網(wǎng)端局或遠端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠端Remote）電話分路器PS(POTSSplitter)

2.6.3光纖同軸混合網(wǎng)

HFC(HybridFiberCoax)HFC網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)CATV的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。HFC網(wǎng)除可傳送CATV外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的CATV網(wǎng)是樹形拓撲結(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復用對電視節(jié)目進行單向傳輸。而HFC網(wǎng)則需要對CATV網(wǎng)進行改造，HFC網(wǎng)的結(jié)構(gòu)同軸電纜頭端光纖放大器引入線分路器光纖結(jié)點服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)HFC的頻譜劃分下行信道上行信道540505507501000原有模擬電視數(shù)字信號頻率(MHz)保留用戶接口盒用戶接口盒

UIB(UserInterfaceBox)要提供三種連接，即：使用同軸電纜連接到機頂盒(set-topbox)，然后再連接到用戶的電視機。使用雙絞線連接到用戶的電話機。使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計算機。電纜調(diào)制解調(diào)器(cablemodem)電纜調(diào)制解調(diào)器是為HFC網(wǎng)而使用的調(diào)制解調(diào)器。電纜調(diào)制解調(diào)器最大的特