第二章物理層-zb-2009

1、第二章物理層簡介n物理層處于網(wǎng)絡(luò)模型的最底層，它為網(wǎng)絡(luò)定義了：機(jī)械、電氣和時(shí)序的接口n我們將要介紹數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚撚懻撊N主要傳輸介質(zhì)n有導(dǎo)向（銅線和光纖）n無線n衛(wèi)星討論三個(gè)通信系統(tǒng)n固定電話系統(tǒng)n移動(dòng)電話系統(tǒng)n有線電視系統(tǒng)n三網(wǎng)的骨干網(wǎng)均使用光纖，但組織方式不同，并在“最后一英里（last mile）”采用不同的技術(shù)。2.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)n通過某種物理特性（電壓或電流）的變化，可以在線路上傳輸信息n可以用以時(shí)間t為自變量的單值函數(shù)f(t)表示電壓或電流的值，從而對(duì)信號(hào)的行為建模，并用數(shù)學(xué)手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。n傅立葉證明了：任何一個(gè)正常的周期為T的函數(shù)g(t)，都可以展成多個(gè)（可能無限個(gè)

2、）正弦和余弦函數(shù)的和。傅立葉級(jí)數(shù)。nf = 1/T 基頻nan和bn是n次諧波的正弦和余弦振幅nc為常量111( )sin(2)cos(2)2nnnng tcanftbnft002( )sin(2)2( )cos(2)TnTnag tnft dtTbg tnft dtT02( )Tcg t dtT2.1.1 傅立葉分析n一個(gè)時(shí)間有限（時(shí)長為T）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的重復(fù)整個(gè)模式（即，在T2T之間的信號(hào)，與0T之間的信號(hào)完全一樣）。2.1.2 有限帶寬的信號(hào)n所有的傳輸設(shè)施在傳輸過程中都會(huì)損失一些能量。n傳輸設(shè)施對(duì)不同傅立葉分量的衰減不相同，導(dǎo)致信號(hào)變

3、形。n傳輸過程中振幅不會(huì)明顯減弱的這一段頻率范圍稱為傳輸設(shè)施的帶寬（bandwidth，BW）。n從0到某一個(gè)頻率fc （Hz）這一段范圍內(nèi)，振幅在傳輸過程中不會(huì)衰減，而在fc之上的頻率所對(duì)應(yīng)的振幅則會(huì)有不同程度的衰減。n通常帶寬是指從0到某一個(gè)能保留一半能量的頻率處n帶寬是傳輸介質(zhì)的物理屬性，取決于介質(zhì)的材料、厚度和長度。nASCII字符“b”編碼為8位（bit）的字節(jié)（byte），被傳輸為“01100010”n平方根振幅其平方與對(duì)應(yīng)頻率處的傳輸能量成正比。1cos(/4)cos(3/4)cos(6/4)cos(7/4)1sin(3/4)sin(/4)sin(7/4)cos(6/4)3/4n

4、nannnnnbnnnnnc22nnabn信號(hào)長度為T2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 n奈奎斯特定理：若某信號(hào)通過一個(gè)理想的無噪聲、帶寬為H的低通濾波器，若信號(hào)包含了V個(gè)離散級(jí)數(shù)（即一個(gè)碼元代表log2V比特），則最大數(shù)據(jù)（或信息）傳輸速率為無噪聲3kHz信道，其最大碼元傳輸速率為6000 symbol/s。碼元傳輸速率(波特，symbol/s)與信息傳輸速率(bps)的區(qū)別。n香農(nóng)定理：一條帶寬為H（Hz）、信噪比為S/N的有噪聲信道，最大信息傳輸速率為信噪比表示，分貝：10lg(S/N)，dB帶寬3kHz，信噪比30dB，則最大信息傳輸速率為30Kbps。2HlogS(最大數(shù)據(jù)傳輸速率

5、（1+ /N）位/秒）22Hlog(V最大數(shù)據(jù)傳輸速率位/秒）2.2 有導(dǎo)向的傳輸介質(zhì)n每種傳輸介質(zhì)都有自己的特性：包括帶寬、遲延、造價(jià)，以及安裝和維護(hù)的難易程度。2.2.2 雙絞線n雙絞線（twisted pair）：兩根絕緣銅線以螺旋狀的形式絞在一起，以減少電線輻射。線徑大約1mm。幾乎所有的電話都是通過雙絞線連接到交換局雙絞線可以延伸幾公里而不需要放大信號(hào)。雙絞線可以傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其帶寬取決于銅線的直徑和傳輸距離：幾公里的傳輸距離內(nèi)可達(dá)幾Mbps。ADSL；出線率UTP（ Unshielded Twisted Pair，無屏蔽雙絞線 ）：絞合后，相互干擾抵消，電線輻射減弱n3類

6、（category 3）雙絞線，16MHzn5類（category 5）雙絞線，100MHz2.2.3 同軸電纜nCoaxial cable，簡稱coaxn兩種：50歐姆，數(shù)字傳輸；75歐姆，模擬傳輸和有線電視，廣泛使用。n比雙絞線有更好的屏蔽性，因此有很好的抗噪性能n高帶寬，可以達(dá)到1GHz；傳輸距離長n仍然廣泛使用于有線電視和城域網(wǎng)中2.2.4 光纖n光纖傳輸系統(tǒng)光源傳輸介質(zhì)：極細(xì)的玻璃纖維檢測(cè)器n一個(gè)光脈沖表示比特1,沒有光則表示0。n光纖傳輸?shù)脑恚赫凵渑c反射n光纖的分類多模光纖：不同的光束以不同模式（不同的反射角）傳播。單模光纖：光纖直徑減至幾個(gè)波長大小時(shí)，光在光纖內(nèi)直線傳播。隨著廣

7、泛使用，價(jià)格已經(jīng)大大降低。廣泛用于長距離傳輸。50Gbps傳輸100km而不用光放大器。n光纖的衰減衰減的分貝數(shù)10lg(傳輸?shù)哪芰?接收的能量)用于光纖通信的三個(gè)波段：0.85、1.30、1.55m，每個(gè)波段有25 00030 000GHz帶寬；后兩段有很好的衰減特性。光纖的色散：光在光纖中傳播時(shí)會(huì)發(fā)散。色散程度與波長有關(guān)。n光纖的組成: 芯（玻璃），封套，外套n光纖的連接在連接器上終止，并插入到光纖接口中機(jī)械手段結(jié)合熔合n光源LED（Light Emitting Diodes，發(fā)光二極管）半導(dǎo)體激光n光信號(hào)的接收光敏二極管：光照產(chǎn)生電脈沖典型的響應(yīng)時(shí)間是1ns（限制數(shù)據(jù)傳輸率為1Gbps）

8、n光纖網(wǎng)絡(luò)具有有源中繼器的光纖環(huán)網(wǎng)：信號(hào)再生無源星型連接n光纖和銅線的比較光纖vs銅線的優(yōu)點(diǎn)n光纖具有寬得多的帶寬n每公里衰減小n不受電源震蕩、電磁波干擾，不受空氣中腐蝕化學(xué)物質(zhì)侵蝕的影響n對(duì)電話公司的吸引力：細(xì)，重量輕，便宜。1000根1km雙絞線重達(dá)8000kg；同樣容量和長度的兩根光纖，重100kg。n安全性：不漏光光纖vs銅線的缺點(diǎn)n對(duì)光纖的處理需要較高的操作技能n過度彎曲容易造成光纖損壞n單工。雙向通信時(shí)需要兩根光纖，或者頻分雙工。n接口成本高2.3 無線傳輸2.3.1 電磁波譜n電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電磁波n電磁波可以在空氣中傳播n電磁波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為它的頻率fn相鄰兩個(gè)波峰（或波谷

9、）間的距離稱為它的波長n光速c = f100MHz：3m；1000MHz：0.3m; 0.1m:3000MHznVHF, UHF, SHF, EHF, THF：n甚高頻，特高頻，超高頻，極高頻，巨高頻n電磁波的帶寬給定波段寬帶，就可計(jì)算頻段 f，繼而計(jì)算出數(shù)據(jù)傳輸速率。波段越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越高。 E.g. =1.3um, =0.17um; f=30THz。若編碼效率為8bit/Hz，則數(shù)據(jù)傳輸速率為240Tbps。22dfcdcf 2.3.2 無線電傳輸n容易產(chǎn)生，可以長距離傳輸，易于穿透建筑物，全方向。n特性和頻率相關(guān)：低頻部分，穿透性好，但單位距離衰減大。頻率越高，越傾向于直線傳播，穿透

10、性變差，單位距離衰減小。雨水吸收，易受干擾。n在VLF/LF/MF波段，無線電波沿地面?zhèn)鬏攏在HF/VHF波段，地面波被地球吸收，到達(dá)電離層（距地表100500km）的波可以被電離層折射回來（遠(yuǎn)距離通信）2.3.3 微波傳輸n在100MHz以上的頻段內(nèi)，電波幾乎按直線傳播。微波系統(tǒng)。拋物面天線n微波塔越高，微波能走的距離越遠(yuǎn)。塔高100m則中繼器間的距離可以為80km。n微波對(duì)建筑物的穿透力不好。n多徑衰落（multipath fading）：不同相，信號(hào)抵消。n一直到10GHz的頻帶都被利用，4GHz左右，微波會(huì)被雨水吸收。雨霧衰減n優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)便宜n廣泛用于：長途電話網(wǎng)、移動(dòng)電話網(wǎng)、電視轉(zhuǎn)播

11、n電磁頻譜政策ITU-R WARC 協(xié)調(diào)頻率分配方案；FCC授權(quán)頻段：3G頻段非授權(quán)頻段：The ISM（Industrial, Scientific, Medical，工業(yè)的，科學(xué)的，醫(yī)藥的）n非授權(quán)n小功率n強(qiáng)制使用擴(kuò)頻：減小彼此干擾2.3.4 紅外線和毫米波n無導(dǎo)向（無線）使用時(shí)，廣泛用于短距離通信方向性便宜，易于制造n不能穿透固體物質(zhì)：墻壁。有利有弊n紅外系統(tǒng)的使用無需經(jīng)過政府許可2.3.5 光波傳輸n將兩個(gè)建筑物中的LAN通過屋頂上安裝激光連接起來。大氣激光（無導(dǎo)向）單向，兩端都需要激光發(fā)生器和光檢測(cè)器低成本，高帶寬安裝簡單，無需政府許可不能穿透雨霧。激光束很窄。方向性強(qiáng)。氣流可以干

12、擾激光通信系統(tǒng)2.4 通信衛(wèi)星n人造衛(wèi)星，天空中的“微波中繼站”有多個(gè)異頻收發(fā)器（transponder）每個(gè)異頻收發(fā)器監(jiān)聽頻譜的一部分，對(duì)進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行放大，再在另一個(gè)頻率上重新發(fā)送出去向下波束的覆蓋范圍：可寬可窄n影響衛(wèi)星安放位置的因素：衛(wèi)星軌道周期隨著軌道半徑的3/2次冪變化，高度越高，周期越長。范艾倫帶：受地球磁場(chǎng)影響的高度帶電的粒子層。在該高度，粒子會(huì)撞毀衛(wèi)星。避開n適合的三個(gè)區(qū)域：低軌道（LEO）、中軌道（MEO）、地球同步軌道（GEO）2.4.1 地球同步衛(wèi)星nGEO（Geostationary Earth Orbit，地球同步軌道），赤道軌道上方35,800km高度。n為避免干

13、擾，同步衛(wèi)星之間的距離不能小于2。太空中最多有180顆同步衛(wèi)星。ITU負(fù)責(zé)分配軌道槽以避免混亂n頻率分配n為增大傳輸容量：各異頻收發(fā)器之間：頻分復(fù)用（FDM）每個(gè)異頻收發(fā)器內(nèi)：時(shí)分復(fù)用（TDM）nVSAT（Very Small Aperture Terminals，小孔終端）：低成本微型站天線小（1m左右）；功耗小（1W左右）對(duì)于無足夠功率實(shí)現(xiàn)相互通信的微型站來說，增加中心站（hub）用于轉(zhuǎn)發(fā)VSAT之間的流量。n通信衛(wèi)星的一些特點(diǎn)端到端延遲比較長（典型270ms）n地面微波鏈路典型傳播遲延：3us/km;n有線鏈路(coax, fiber)典型傳播遲延：5us/km天生的廣播介質(zhì)傳輸一跳消息

14、的成本和經(jīng)過的距離無關(guān)部署快速2.4.2 中間軌道（MEO）衛(wèi)星n中間地球軌道（Medium-Earth Orbit）n軌道周期大約 6小時(shí)n尚未應(yīng)用于通信領(lǐng)域nGPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）:18000km高度，24顆星2.4.3 低軌道衛(wèi)星nLEO（Low-Earth Orbit，低地球軌道）n銥計(jì)劃（Iridium）:Motorola由1990年提出。1998年11月服務(wù)，1999年8月宣布破產(chǎn)原定77（“銥”）顆，后修訂為66顆低軌道衛(wèi)星。離地高度750km，往返遲延幾毫秒。6條衛(wèi)星項(xiàng)鏈覆蓋全球；每顆衛(wèi)星最多48個(gè)單元格（采用點(diǎn)波束spot

15、beam）衛(wèi)星之間交換信息提供語音、數(shù)據(jù)、尋呼、導(dǎo)航等服務(wù)，針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)nGlobalstar48顆LEO衛(wèi)星組成地面交換，復(fù)雜性放到地面。nTeledesic：空中互聯(lián)網(wǎng)Teledesic通信衛(wèi)星系統(tǒng)定位于提供全球化的，高帶寬的Internet服務(wù)。計(jì)劃為用戶提供上行100Mb/s，下行720Mb/s的帶寬，而每個(gè)用戶則使用一個(gè)小的，VSAT天線完成它設(shè)計(jì)使用288顆衛(wèi)星，排列成為12平面，位于距地高度1350KM處。 后改成30顆。Ka波段，空中分組交換。2.4.4 衛(wèi)星vs.光纖n衛(wèi)星同樣可以提供很高的帶寬n對(duì)移動(dòng)通信的支持n廣播信息的發(fā)布n惡劣地形或地面設(shè)施很差的地區(qū)n難于獲得路權(quán)的地

16、區(qū)n快速部署網(wǎng)絡(luò)2.5 公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）2.5.1 電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（ Public Switched Telephone Network，PSTN）n電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)全連接-中心控制-多層分級(jí)n電話系統(tǒng)的三個(gè)主要部件本地回路（雙絞線，模擬信號(hào)）干線（光纖，數(shù)字信號(hào)）：長途干線交換局（干線間的交換）：端局、長途局、中心長途局n數(shù)字vs.模擬數(shù)字信號(hào)更容易再生，高速率，低成本，更容易維護(hù)2.5.3 本地回路：調(diào)制解調(diào)器、ADSL和無線n數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換n傳輸線路的三個(gè)主要問題衰減（attenuation）：信號(hào)在傳輸過程中的能量損失（dB/km），和頻率相關(guān)。延遲畸變（

17、delay distortion）：信號(hào)不同頻率的傅立葉分量在線路上的傳播速度不同。噪聲（noise）：一些來自于非發(fā)射器的多余能量（熱噪聲、串?dāng)_、脈沖噪聲等）n當(dāng)計(jì)算機(jī)希望通過模擬線路傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)候，必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬的形式方波具有很寬的頻譜，因而衰減和延遲畸變很嚴(yán)重；基帶信號(hào)不適合，必須進(jìn)行調(diào)制n載波（wave carrier）：10002000Hz的正弦波n調(diào)制方式調(diào)幅（amplitude modulation）：使用兩種（或多種）不同的振幅代表數(shù)字信息調(diào)頻（frequency modulation）：使用兩種不同的頻率調(diào)相（phase modulation）：通過改變載波的相位調(diào)

18、制方式n調(diào)制解調(diào)器（modem）：一種以一個(gè)位序列作為輸入，并且產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過以上任意一種（或多種）方法調(diào)制的載波輸出（或相反）的設(shè)備。n波特率：每秒鐘傳送的符號(hào)（碼元，symbol ）數(shù)，單位波特（baud）n一個(gè)波特承載一個(gè)碼元。波特率和碼元率相同n波特率越高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣仍礁?，但是受到奈奎斯特?zhǔn)則的限制n一個(gè)碼元可以包含多個(gè)比特。（e.g. Quadrature Phase Shift Keying，QPSK，正交相移鍵控）n位傳輸速率（比特率）：指一條信道上發(fā)送的信息的數(shù)量，取決于每秒的采樣次數(shù)（波特率）和每個(gè)采樣的位數(shù)。n位傳輸速率波特率每個(gè)符號(hào)表示的比特?cái)?shù)n為了在每個(gè)符號(hào)中傳輸盡可

19、能多的位，多種調(diào)制方法可以組合使用。星座圖QPSKQAM-16（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制）QAM-64n標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器，通常采用2400波特的采樣速率V.32：32個(gè)星座點(diǎn)（32-QAM），每個(gè)碼元傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)校驗(yàn)位，速率2400*4=9600bpsV.32 bis：128個(gè)星座點(diǎn)（128-QAM），每個(gè)碼元傳送6個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)校驗(yàn)位，速率2400*6=14,400bpsV.34：每個(gè)碼元傳送12個(gè)數(shù)據(jù)位，速率2400*12=28.8kbpsV.34 bis：每個(gè)碼元傳送14個(gè)數(shù)據(jù)位，速率2400*14=33.6kbpsn所有的調(diào)制解

20、調(diào)器都是全雙工的（full-duplex）（不同方向使用不同頻率）。半雙工，單工n標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器截止于33.6kbps電話系統(tǒng)的香農(nóng)限制是35kbps（與本地回路的平均長度和這些線路的質(zhì)量有關(guān)）計(jì)算機(jī)ISP1間存在兩個(gè)模擬本地回路：源端本地回路和目的端本地回路n56kbps的modem去掉一個(gè)（目的端）模擬本地回路，減小了噪聲，最大數(shù)據(jù)速率加倍（35kbps-70kbps）。計(jì)算機(jī)ISP2V.90：上行33.6kbps，下行56kbps；連接建立時(shí)間30s。V.92：上行48kbps，下行56kbps；連接建立時(shí)間小于15s。用戶數(shù)字線路（DSL）n數(shù)字用戶線路（digital subscr

21、iber lines）n調(diào)制解調(diào)器慢速的原因：局端的濾波器限制了本地回路的帶寬只有4000Hzn解決的方法：去掉局端濾波器，充分發(fā)揮本地回路的全部承載能力n3類UTP用于DSL時(shí)，帶寬和距離的關(guān)系nDSL的設(shè)計(jì)目標(biāo)n必須在現(xiàn)有的3類UTP上工作n不能影響現(xiàn)有的業(yè)務(wù)n必須提供高于56kbps的業(yè)務(wù)能力n服務(wù)總可用（常在線）nDMT（Discrete MultiTone，離散的多信道調(diào)制）劃分1.1MHz可用頻譜（頻分復(fù)用FDM）nPOTS（Plain Old Telephone Service，傳統(tǒng)的簡單電話服務(wù)）n上行數(shù)據(jù)流n下行數(shù)據(jù)流分為256個(gè)獨(dú)立子信道n信道0用于POTS，信道1-5用于

22、語音和數(shù)據(jù)的保護(hù)間隔n剩余250條信道中，兩條做上行、下行控制外，全部用于用戶數(shù)據(jù)ADSL設(shè)備連接圖n每條信道內(nèi)采樣率4000波特，每個(gè)波特15位數(shù)據(jù)，224條下行信道理論速率可達(dá)13.44MbpsnADSL（Asymmetric DSL，非對(duì)稱數(shù)字用戶線路。標(biāo)準(zhǔn)：ITU G.992.1(也稱G.DMT，有分離器的ADSL收發(fā)器)； 上行640kbps/下行8MbpsG.992.2(也稱G.Lite，無分離器的ADSL收發(fā)器)； 640k/1.5MbpsG.992.3(也稱ADSL2，有分離器)；1.2M/12MbpsG.992.4(無分離器的ADSL2收發(fā)器)；G.992.5-2003（也稱

23、ADSL2+，增強(qiáng)功能的ADSL2收發(fā)器)。1.2M/24Mbps。(下行帶寬增至2.2MHz)無線本地回路n無線本地回路（Wireless Local Loop，WLL）比雙絞線更經(jīng)濟(jì)的的本地回路為用戶提供高速度Internet連接服務(wù)便于安裝指向端局的大的有向天線用戶從不移動(dòng)n兩種無線本地回路MMDS（Multichannel Multipoint Distribution Service，多信道多點(diǎn)分發(fā)服務(wù)）LMDS（Local Multipint Distribution Service，本地多點(diǎn)分發(fā)服務(wù)）后來發(fā)展成為IEEE 802.162.5.4 干線和多路復(fù)用nFDM（Frequ

24、ency Division Multiplexing，頻分多路復(fù)用）：頻譜被分為頻段，每個(gè)用戶可以單獨(dú)擁有某個(gè)頻段（廣播電臺(tái)）nTDM（Time Division Multiplexing，時(shí)分復(fù)用）：用戶輪流獲得整個(gè)帶寬，每次僅使用一小段時(shí)間（大會(huì)上的輪流發(fā)言）：T1/E1n波分多路復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）：頻分容量越來越大。 WDM：2.5Gbps*8=20Gbps2.5Gbps*40=100Gbps 96Gbps*10=960Gbps。nDWDM（Dense WDM，密級(jí)波分復(fù)用）:波長間隔很近（0.1nm）n通過WDM技術(shù)，在不同

25、波長上并行運(yùn)行多條信道，使得聚合起來的帶寬隨信道數(shù)目線性增加。(單根光纖帶寬大約為25,000GHz)n時(shí)分多路復(fù)用(TDM)只能用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，在干線使用。端局進(jìn)行一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換。PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制）：8 kHz采樣頻率（周期125us），每個(gè)采樣信息用8 bits表示。n4kHz模擬話音信號(hào)64kbps數(shù)字信號(hào)nT1線路（T1 carrier）：北美和日本標(biāo)準(zhǔn)8kHz采樣速率（幀長125us），24條時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TDM幀，每個(gè)時(shí)隙8比特，一個(gè)幀有24x8比特。另有一個(gè)用于同步的比特位。每個(gè)幀中的比特?cái)?shù)為24x8+1=193，線路速率為193x8k

26、=1.544Mbps。其中23個(gè)信道用于用戶數(shù)據(jù)，第24個(gè)信道用于特定的同步模式，在失去幀同步時(shí)可以快速恢復(fù)。nE1（除了北美和日本）：每125us一幀，每幀中32個(gè)信道n每個(gè)信道8位采樣，其中2個(gè)信道用于信令和幀同步，其余30個(gè)信道用于用戶數(shù)據(jù)。n線路速率為32x8x8000=2.048Mbpsn多個(gè)T1/E1線路可以被復(fù)用到更高階的線路上nSONET/SDH：TDM傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)SONET：Synchronous Optical network，同步光纖網(wǎng)。美國標(biāo)準(zhǔn)。SDH：Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字系列。CCITT標(biāo)準(zhǔn)。二者差異很小。用于干線傳輸設(shè)

27、計(jì)目標(biāo)n使不同的運(yùn)營商可以協(xié)同工作n統(tǒng)一美國、歐洲和日本的數(shù)字系統(tǒng)n復(fù)用多條數(shù)字信道n支持操作、管理和維護(hù)（OAM）兩個(gè)背靠背的SDH幀nSONET的幀組成每125us，810字節(jié)的數(shù)據(jù)塊9行，90列，每個(gè)單元1個(gè)字節(jié)n前三列保留用于系統(tǒng)管理前三行為段開銷后六行為線路開銷n87列用戶數(shù)據(jù)（Synchronous Payload Envelope，同步凈荷包封）SPE可以從幀內(nèi)的任何地方開始。線路開銷的第一行包含一個(gè)指針，指向SPE的第一個(gè)字節(jié)。SPE的第一列為路徑開銷。其余為用戶數(shù)據(jù)速率n線路速率：90 x9x8x8000=51.84Mbps（STS-1）nSPE速率：87x9x8x8000=

28、50.112Mbpsn用戶數(shù)據(jù)：86x9x8x8000=49.536MbpsnSONET幀背靠背（back to back）傳輸，幀間無間隔n每幀的前兩個(gè)字節(jié)有固定的模式用于同步nSPE可以從幀內(nèi)任何一個(gè)位置開始，可以跨越兩個(gè)幀nSONET復(fù)用層次2.5.5 交換（Switching）n電路交換（Circuit Switching）在收發(fā)兩端建立一個(gè)專用的物理通路。n專用的物理通路可以是一個(gè)時(shí)隙。通信之前，先建立連接；通信之后，拆除連接n報(bào)文交換（Message Switching）收發(fā)雙方事先不需要建立專用通路發(fā)送方發(fā)送的消息（message），采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，在交換機(jī)中整個(gè)消息被完整的接

29、收下來再轉(zhuǎn)發(fā)出去；這樣消息逐跳的在交換機(jī)中被中轉(zhuǎn)，直到到達(dá)目的端。受消息大小影響，端到端遲延大。只是一個(gè)概念，未被使用。n分組交換（Packet Switching）以大小受限的分組（packet）為單位，在每一個(gè)中間交換結(jié)點(diǎn)（router）首先被存儲(chǔ)，再轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)，即采用分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（store and forward）各分組可以獨(dú)立被轉(zhuǎn)發(fā)，事先沒有建立專門的路徑（稱為無連接的分組交換）。也可以先建立路徑，然后沿該路徑傳送分組（稱為虛電路方式的分組交換）。n三種交換方式比較n四種時(shí)延：發(fā)送時(shí)延；傳播時(shí)延；排隊(duì)時(shí)延；處理時(shí)延n性能參數(shù)：吞吐量，時(shí)延，時(shí)延抖動(dòng)n電路交換和分組交換的比較2

30、.6 移動(dòng)電話系統(tǒng)n無線電話無繩電話（cordless phone）移動(dòng)電話（蜂窩電話，cell phone）n第一代：模擬語音n第二代：數(shù)字語音n第三代：數(shù)字語音和數(shù)據(jù)2.6.1 第一代移動(dòng)電話：模擬語音n1964年，按鈕啟動(dòng)式通話系統(tǒng)n20世紀(jì)60年代，IMTS（Improved Mobile Telephone System，改進(jìn)的移動(dòng)電話系統(tǒng)）n1982年，AMPS（Advanced Mobile Phone System，高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)）：Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明.na）蜂窩：頻率重用n每個(gè)地理區(qū)域分成許多蜂窩單元（cell），每個(gè)cell跨度1020kmn每個(gè)蜂窩單元使用一組頻率，并且

31、這組頻率在相鄰蜂窩中不再使用（保證良好的隔離性和較低的干擾）n較小的蜂窩單元可以增加系統(tǒng)容量。 b) 微蜂窩：熱點(diǎn)n基站（base station）位于蜂窩中心，所有的電話都直接和基站通信n基站和MTSO（Mobile Telephone Switching Office，或MSC）連接n系統(tǒng)內(nèi)的MTSO形成類似PSTN的多級(jí)連接nMTSO和基站之間進(jìn)行通信，并利用一個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò)與PSTN連接n切換（handoff，移交）：移動(dòng)站從一個(gè)蜂窩到另一個(gè)蜂窩時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)移過程。軟切換（同時(shí)與兩個(gè)基站保持信號(hào)聯(lián)系），硬切換nAMPS利用FDM分隔信道共有832個(gè)全雙工信道，每個(gè)信道由一對(duì)單工信道組成8

32、32個(gè)發(fā)送信道的頻率范圍824849MHz832個(gè)接收信道的頻率范圍869894MHz每個(gè)單工信道的帶寬為30kHz相鄰蜂窩不能使用同樣的頻率，每個(gè)蜂窩實(shí)際可用的語音信道為45個(gè)左右n信道的分類控制（基站移動(dòng)電話），用于管理系統(tǒng)呼叫（基站移動(dòng)電話），用于提醒用戶呼叫到來訪問（雙向），用于呼叫建立和信道分配數(shù)據(jù)（雙向），用于語音、傳真和數(shù)據(jù)n呼叫管理移動(dòng)電話A基站（我在你的服務(wù)區(qū)）用戶撥號(hào)，被叫號(hào)碼B+主叫號(hào)碼A基站（我是A，幫我呼叫B）（訪問信道）MTSO尋找一條空閑信道f，基站移動(dòng)電話A（OK，請(qǐng)切換到頻率f）（控制信道）被叫方的主MTSO被叫方所在蜂窩基站所有區(qū)內(nèi)移動(dòng)電話（B在不在？）移動(dòng)

33、電話B 基站（我在）基站移動(dòng)電話B（有人在頻率f上呼叫你）2.6.2 第二代移動(dòng)電話：數(shù)字語音nD-AMPSThe Digital Advanced Mobile Phone System，數(shù)字的高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)。廣泛用于美日國際標(biāo)準(zhǔn)IS-54和IS-136AMPS兼容，可以動(dòng)態(tài)改變信道類型（模擬/數(shù)字）新加入1900 MHz頻段n上行18501910MHzn下行19301990MHz聲音被數(shù)字化并壓縮，PCM編碼降到8kbps以下。聲音編碼器（vocoder）多個(gè)用戶可以通過TDM共享一對(duì)頻率n每秒25幀，每幀40ms，分為6個(gè)時(shí)槽，每個(gè)時(shí)槽6.67ms，324位長n三個(gè)用戶輪流使用n單向速

34、率總速率：324x6x25=48.6kbps語音數(shù)據(jù)：159x50=7.95kbpsn6個(gè)用戶的情況nGSM（Global System for Mobile communication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）GSM和D-AMPSn相同點(diǎn)都是蜂窩狀的系統(tǒng)都使用頻分復(fù)用，用一對(duì)頻率提供全雙工信道同一信道上利用TDM多個(gè)用戶共享n不同點(diǎn)GSM提供200kHz帶寬，D-AMPS提供30kHz帶寬GSM廣泛用于歐洲。 D-AMPS用于美日nGSM124對(duì)單工信道組成124個(gè)全雙工信道每個(gè)信道帶寬200kHz使用TDM機(jī)制支持8個(gè)獨(dú)立連接。每個(gè)TDM幀長4.615ms。nGSM的復(fù)幀8個(gè)數(shù)據(jù)幀構(gòu)成1個(gè)TDM

35、幀，26個(gè)TDM幀構(gòu)成一個(gè)120ms的多幀，其中有24個(gè)給用戶使用一個(gè)TDM幀內(nèi)的一個(gè)數(shù)據(jù)幀持續(xù)547us，148位信道總的傳輸速率270kbps，8個(gè)用戶共享每用戶速率33.854kbps，凈荷速率能達(dá)到24.7kbps13kbps的語音數(shù)據(jù)。nGSM中的控制信道廣播控制信道：移動(dòng)站發(fā)現(xiàn)基站專用控制信道：位置更新、注冊(cè)和呼叫建立公共控制信道n呼叫信道：移動(dòng)站監(jiān)聽以獲知有呼叫到達(dá)n隨機(jī)訪問信道：允許用戶在專用控制信道上請(qǐng)求一個(gè)時(shí)槽n訪問授權(quán)信道：宣告在專用控制信道中被分配的時(shí)槽nCDMA（Code Division Multiple Access，碼分多路訪問）國際標(biāo)準(zhǔn)IS-95，用來規(guī)定CD

36、MA被認(rèn)為是最佳的技術(shù)方案，是第三代移動(dòng)通信的基礎(chǔ)nCDMA和TDMA，F(xiàn)DMACDMA并不將整個(gè)可用的頻率范圍分成窄的信道，允許每個(gè)站在任何時(shí)候都可以在整個(gè)頻段范圍內(nèi)發(fā)送信號(hào)，假設(shè)信號(hào)可以線性疊加，利用編碼技術(shù)可以將多個(gè)并發(fā)的傳輸過程分開。nCDMA系統(tǒng)的工作原理將每一位時(shí)間（bit time）分成m個(gè)時(shí)間間隔，每個(gè)間隔稱為時(shí)間片（chip）每一個(gè)站分配一個(gè)唯一的m位代碼，稱為時(shí)間片序列（chip sequence）n傳送1時(shí)，發(fā)送該站的時(shí)間片序列n傳送0時(shí)，發(fā)送該站的時(shí)間片序列的補(bǔ)碼（非值）對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求增加了m倍（bmb）n每個(gè)站都有唯一的時(shí)間片序列n所有的時(shí)間片序列兩兩正交，即任何兩

37、個(gè)不同的時(shí)間片序列S和T歸一化內(nèi)積ST為0，即在S和T的分量中，對(duì)應(yīng)分量相等的數(shù)目與不相等的數(shù)目一樣多n n 110miiiS TSTm00S TS T11S SS S nCDMA舉例2.6.3 第三代移動(dòng)電話：數(shù)字語音和數(shù)據(jù)nIMT-2000預(yù)期提供的服務(wù)：2Mbps速率（固定時(shí)），384Kbps（移動(dòng)時(shí)）高質(zhì)量的語音；消息服務(wù)；多媒體；Internetn現(xiàn)有的提案WCDMA（Wideband CDMA），愛立信提出；n采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）；5MHz信道帶寬；n歐盟支持，也叫UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）；可與GSM網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作CDMA2000，Qualcomm，美國支持n采用DSSS，5MHz帶寬，與IS-95兼容TD-SCDMA（