第2章　物理层-03

2.3 导向传输媒体

2.3.1 同轴电缆

基带同轴电缆（网络同轴电缆）：分细同轴电缆、粗同轴电缆。

基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mb/s。

宽带同轴电缆（视频同轴电缆）

50Ω基带电缆；75Ω宽带电缆

2.3.2 双绞线

1. 屏蔽双绞线（STP）

价格相对较高，安装比非屏蔽双绞线困难；有较高的传输速率，100m内可达155Mb/s。

2. 非屏蔽双绞线（UTP）

按电气特性可分为三类线、四类线、五类线、超五类线、六类线。网络中最常用的是五类线、超五类线、六类线。

EIA/TIA 568A的线序标准

EIA/TIA 568B的线序标准

1、2用于发送，3、6用于接收，4、5和7、8是双向线。

交叉线：一端是568A标准，另一端是568B标准。（用于相同的设备相连）

直通线：两端都是568B标准。（用于不相同的设备相连）

注意：现在的网络设备比较智能，能自动协商双绞线的线序。

综合布线中对五类线、超五类线、六类线测试的参数有：衰减值、近端串扰、远端串扰、回波损耗、特性阻抗、接线方式。

2.3.3 光纤

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

多模光纤：价格便宜、纤芯粗、传输距离近（500m左右），光源使用发光二极管。

单模光纤：价格贵、纤芯细、传输距离远（500m以上到2-5km），光源使用半导体激光器。

（单模光纤：“高贵细远”）

光纤布线系统的测试指标包括：最大衰减限值、波长窗口参数、回波损耗限值。

2.4 非导向传输媒体

2.4.1 无线电频段

2.4.2 短波通信

短波通信即高频通信，通过电离层的反射而达成超远距离的通信。可利用电离层对天波的一次或多次反射，进行远距离无线电通信。通信质量较差，一般都是低速传输。

2.4.3 微波通信

微波在空间主要是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传播距离收到限制，一般只有50km左右。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不能像短波那样可以经电离层反射传播到地球上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式：

地面微波接力通信

卫星通信

卫星通信有较大的传播时延。从一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250-300ms之间，一般可取为270ms。

2.5 信道复用技术

其实质是在发送端将多路信号组合成一路信号，然后在一条专用的物理信道上实现传输，接收端再将复合信号分离出来。

2.5.1 频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）—模拟信号

频分复用是指多路信号在频率位置上分开，但同时在一个信道内传输。频分复用信号在频谱上不会重叠，但在时间上是重叠的。（宽带有线电视、无线广播、ADSL、无线局域网）

频分复用发送端

频分复用接收端

2.5.2 时分复用TDM（Time Division Multiplexing）—数字信号

时分复用可能会造成线路资源的浪费

统计时分复用 STDM（Statistic TDM）

统计时分复用 STDM能明显的提高信道的利用率。交换机的干道链路使用的就是STDM。

统计时分复用在放置数据时是没有规律的，只要构成一个帧就发走。在放置数据是会在数据前面加一个标记，表明其是从哪个信道过来的，接收端再根据标记将其过滤再分发到应去的信道。

2.5.3 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）

波分复用其实就是光的频分复用

2.5.4 码分复用CDM（Code Division Multiplexing）

码分复用既共享信道的频率，也共享时间，是一种真正的动态复用技术。有很强的可干扰能力。

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)，通常情况下每比特有64或128个码片。

每个站点（如手机）被指派一个唯一的mbit的码片序列。如发送比特 1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

当两个或多个站点同时发送时，各路数据在信道中被线性相加。

基站和手机A通过CDMA进行通信，假设手机A的码片为(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) （每部手机都有一个码片并且每部手机的码片都不一样），要发送的数据为110，现在基站只向手机A发送信号。手机A收到后使用自己的码片与收到的码片进行格式化内积计算得到数据110。

每个站点分配的码片序列不仅必须各不相同，并且各个站的码片序列还必须互相正交，就是向量A（A的码片）和向量B（B的码片）的格式化内积都是0。

任何一个码片向量和该码片向量自己的格式化内积都是1，一个码片向量和该码片反码的向量的格式化内积是-1。

格式化内积的算法：

假设A的码片序列为(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)

假设B的码片序列为(-1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 -1)

（1）把A的每一位和B的每一位按照序号相乘，即A的第一位乘以B的第一位，A的第二位乘以B的第二位，A的第三位乘以B的第三位……以此类推。

（2）把以上相乘得到积相加再除以8（这里码片序列一共8位，所以m=8）

（+1）+ (+1) + (-1) + (-1) + (+1) + (-1) + (+1) + (-1)/8=0

结果为0就说明A序列和B序列正交。

有多人进行通话时，基站会向每一部手机发送一份经过叠加后的信号，此时每一部手机就会通过码片来过滤出属于自己的信号。如何过滤呢？

假设基站同时给A和B手机发送信号，基站向A发送数字信号110，向B发送数字信号010。基站发送叠加后的信号，码片序列为（0 0 -2 +2 0 -2 0 +2），A手机的码片序列为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1），B手机的码片序列为（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）,C手机的码片序列为（-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1）。

A、B、C三个手机的码片序列和收到的码片序列做格式化内积，如果得数是+1，说明收到的数字信号是1，如果得数是-1，说明收到的数字信号是0，如果得数是0，说明该手机没有收到信号。

Ａ手机：0×（-1）＋０×（-1）＋（-２）×（-1）＋２×1 +０×1＋（-２）×（-1）+０×1 +２×1＝８

所得结果再除以码片长度８，得１，Ａ手机收到一位数字信号１。

Ｂ手机： 0×（-1）＋０×（-1）＋（-２）×1＋２×（-1） +０×1＋（-２）×1+０×1 +２×（-1）＝－８

所得结果再除以码片长度８，得-１，B手机收到一位数字信号0。

C手机： 0×（-1）＋０×1＋（-２）×（-1）＋２×1 +０×1＋（-２）×1+０×（-1） +２×（-1）＝0

所得结果再除以码片长度８，得0，C手机没有收到数字信号。

2.6 数字传输系统

2.6.1 脉冲编码调制PCM体制

模拟信号一般通过脉码调制（Pulse Code Modulation，PCM）方法量化为数字信号。模拟信号经过采样、对采样的值进行量化，对量化的采样进行数字化编码，将编码后的数据转化成数字信号发送。

PCM的两个重要国际标准：

1. E1（欧洲30路PCM，速率为2.048Mb/s）

（1）E1的成复帧方式。

E1的一个时分复用帧（长度为T=125μm），共划分为32个相等的时隙，时隙编号为CH0-CH31。

时隙CH0用作帧同步，时隙CH16用来传输信令，剩下的CH1-CH15和CH17-CH31共30个时隙用作30个语音话路。

E1载波的控制开销占6.25%。

每个时隙传送8bit（7bit编码加上1bit信令），因此共用256bit。每秒传送8000个帧，因此PCM一次群E1的数据速率就是8000×8×32=2.048Mb/s，其中每个话音信道的数据速率是64kb/s。

（2）E1的成帧方式。

E1中的第0时隙用于传输帧同步数据，其余31个时隙可以用于传输有效数据。

（3）E1的不成帧方式。

所有32个时隙都可用于传输有效数据。

E1有以下三种使用方法：

2M的DDN方式：将整个2M用作一条链路。

CE1方式：将2M用作若干个64k线路的组合。

PRA信令方式：也是E1最原本的用法，把一条E1作为32个64k来用，但是时隙0和时隙16用作信令，一条E1可以传30路话音。

E1=2.048Mb/s

E2=4E1=4×2.048Mb/s=8.192Mb/s

E3=4E2=4×8.192Mb/s=32.768Mb/s

E4=4E3=4×32.768Mb/s=131.072Mb/s

“E444”

2. T1（北美24路PCM，速率为1.544Mb/s）

T1系统共有24个语音话路，每个时隙传送8bit（7bit编码加上1bit信令），因此共用193bit（192bit加上1bit帧同步位）。每秒传送8000个帧，因此PCM一次群T1的数据率=8000×193b/s=1.544Mb/s，其中每个语音信道的数据速率是64kb/s。

T1=1.544Mb/s

T2=4T1=4×1.544Mb/s=6.176Mb/s

T3=7T2=7×6.176Mb/s=43.232Mb/s

T4=6T3=6×43.232Mb/s=259.392Mb/s

“T476”

2.6.2 同步光纤网（SONET）

旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：

速率标准不统一

如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输

在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。

由于PCM速率不统一（T1和E1共存）、属于准同步方式，因此人们提出同步光纤网（Synchronous Optical Network，SONET）解决上述问题。SONET使用非常精确的铯原子钟提供时间同步。

SONET和PCM都是每秒钟传送8000帧，STS-1帧长为810字节，因此基础速率为8000×810×8=51.84 Mb/s。

OC-1=51.84 Mb/s

OC-N代表N倍的OC-1=51.84 Mb/s。

如OC-3= OC-1×3=51.84×3=155.52Mb/s。

2.6.3 同步数字系列 （SDH）

同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)是ITU-T 以美国标准 SONET 为基础制订出的国际标准。SDH 的基本速率155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

STM-1=155.52 Mb/s

STM-N代表N倍的STM-1=155.52 Mb/s。

当数据传输速率较小时，可以使用SDH提供的准同步数字系列PDH兼容传输方式。

该方式在STM-1中封装了63个E1信道，可以同时向63个用户提供2Mb/s的接入速率。PDH兼任方式有两种接口，一种是传统的E1接口，如路由器上的G.703转V.35接口；另一种是封装了多个E1信道的CPOS接口。

2.7 接入技术

2.7.1xDSL

铜线宽带接入技术也就是xDSL技术，xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。DSL是数字用户线路（Digital Subscriber Line）的总称。而DSL的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等。

xDSL 技术就把 0-4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

常见的ADSL接入方式有以下两种：

（1）ADSL虚拟拨号

采用专门的协议PPPoE（PPP over Ethernet），拨号后直接由验证服务器进行检验，用户需输入用户名和密码，检验通过后就建立起一条高速的用户数字并分配相应的动态IP。

（2）ADSL专线接入

类似于专线的接入方式，用户配置好ADSL MODEM后，PC设定固定的IP地址、掩码、网关之后就可以和局端自动建立起一条链路。

ADSL的特点：

u 上行和下行带宽做成不对称的。

u ADSL在用户线两端各安装一个ADSL调制解调器。

u 我国目前采用的方案是离散多音频DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。

DMT调制技术采用频分复用的方法，把4kMz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。

每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

2.7.2 HFC

HFC（Hybrid Fiber－Coaxial）：光纤同轴电缆混合网。

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。

HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成，从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到用户。

电缆调制解调器(Cable Modem,CM)，是用户设备和同轴电缆网络的接口，是有线电视网络（Cable TV,CATV）网络用户端必须安装的设备。

由于有线电视实现的是同轴电缆入户，可以利用已有的有线电视网络实现网络入户。HFC是光纤到小区（或楼），同轴电缆入户。

由于是网络接入，数据在用户和Internet之间传输，所以HFC必须是双向传输系统。由于是利用已有的有线电视网络实现网络连接，所以需要有线电视所需的一系列设备。由于同轴电缆入户，所以用户的带宽是同轴电缆能达到的10Mbps-36Mbps。

路由器工作于ISO-OSI参考模型的第三层（网络层），负责各个网络之间的数据转发，属于网络的核心结点范畴，通常并不会负责具体的用户接入工作。HFC的用户接入工作是由调制解调器（Modem）实现的。

2.7.3 FTTx

FTTx（光纤到…）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。

光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。

光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。

光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

（未完待续）