計算機軟體水平考試《網路工程師》-第2章物理層-03

第2章　物理層-03

2.3 導向傳輸媒體

2.3.1 同軸電纜

基帶同軸電纜（網路同軸電纜）：分細同軸電纜、粗同軸電纜。

基帶電纜僅僅用於數字傳輸，資料率可達10Mb/s。

寬帶同軸電纜（影片同軸電纜）

50Ω基帶電纜；75Ω寬頻電纜

2.3.2 雙絞線

1. 遮蔽雙絞線（STP）

價格相對較高，安裝比非遮蔽雙絞線困難；有較高的傳輸速率，100m內可達155Mb/s。

2. 非遮蔽雙絞線（UTP）

按電氣特性可分為三類線、四類線、五類線、超五類線、六類線。網路中最常用的是五類線、超五類線、六類線。

EIA/TIA 568A的線序標準

EIA/TIA 568B的線序標準

1、2用於傳送，3、6用於接收，4、5和7、8是雙向線。

交叉線：一端是568A標準，另一端是568B標準。（用於相同的裝置相連）

直通線：兩端都是568B標準。（用於不相同的裝置相連）

注意：現在的網路裝置比較智慧，能自動協商雙絞線的線序。

綜合佈線中對五類線、超五類線、六類線測試的引數有：衰減值、近端串擾、遠端串擾、回波損耗、特性阻抗、接線方式。

2.3.3 光纖

光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通訊圓柱體。

多模光纖：價格便宜、纖芯粗、傳輸距離近（500m左右），光源使用發光二極體。

單模光纖：價格貴、纖芯細、傳輸距離遠（500m以上到2-5km），光源使用半導體鐳射器。

（單模光纖：“高貴細遠”）

光纖佈線系統的測試指標包括：最大衰減限值、波長視窗引數、回波損耗限值。

2.4 非導向傳輸媒體

2.4.1 無線電頻段

2.4.2 短波通訊

短波通訊即高頻通訊，透過電離層的反射而達成超遠距離的通訊。可利用電離層對天波的一次或多次反射，進行遠距離無線電通訊。通訊質量較差，一般都是低速傳輸。

2.4.3 微波通訊

微波在空間主要是直線傳播，而地球表面是個曲面，因此傳播距離收到限制，一般只有50km左右。由於微波會穿透電離層而進入宇宙空間，因此它不能像短波那樣可以經電離層反射傳播到地球上很遠的地方。傳統的微波通訊主要有兩種方式：

地面微波接力通訊

衛星通訊

衛星通訊有較大的傳播時延。從一個地球站經衛星到另一個地球站的傳播時延在250-300ms之間，一般可取為270ms。

2.5 通道複用技術

其實質是在傳送端將多路訊號組合成一路訊號，然後在一條專用的物理通道上實現傳輸，接收端再將複合訊號分離出來。

2.5.1 頻分複用FDM（Frequency Division Multiplexing）—模擬訊號

頻分複用是指多路訊號在頻率位置上分開，但同時在一個通道內傳輸。頻分複用訊號在頻譜上不會重疊，但在時間上是重疊的。（寬頻有線電視、無線廣播、ADSL、無線區域網）

頻分複用傳送端

頻分複用接收端

2.5.2 時分複用TDM（Time Division Multiplexing）—數字訊號

時分複用可能會造成線路資源的浪費

統計時分複用 STDM（Statistic TDM）

統計時分複用 STDM能明顯的提高通道的利用率。交換機的幹道鏈路使用的就是STDM。

統計時分複用在放置資料時是沒有規律的，只要構成一個幀就發走。在放置資料是會在資料前面加一個標記，表明其是從哪個通道過來的，接收端再根據標記將其過濾再分發到應去的通道。

2.5.3 波分複用WDM（Wavelength Division Multiplexing）

波分複用其實就是光的頻分複用

2.5.4 碼分複用CDM（Code Division Multiplexing）

碼分複用既共享通道的頻率，也共享時間，是一種真正的動態複用技術。有很強的可干擾能力。

每一個位元時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)，通常情況下每位元有64或128個碼片。

每個站點（如手機）被指派一個唯一的mbit的碼片序列。如傳送位元 1，則傳送自己的mbit碼片序列。如傳送位元0，則傳送該碼片序列的二進位制反碼。

當兩個或多個站點同時傳送時，各路資料在通道中被線性相加。

基站和手機A透過CDMA進行通訊，假設手機A的碼片為(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) （每部手機都有一個碼片並且每部手機的碼片都不一樣），要傳送的資料為110，現在基站只向手機A傳送訊號。手機A收到後使用自己的碼片與收到的碼片進行格式化內積計算得到資料110。

每個站點分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且各個站的碼片序列還必須互相正交，就是向量A（A的碼片）和向量B（B的碼片）的格式化內積都是0。

任何一個碼片向量和該碼片向量自己的格式化內積都是1，一個碼片向量和該碼片反碼的向量的格式化內積是-1。

格式化內積的演算法：

假設A的碼片序列為(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)

假設B的碼片序列為(-1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 -1)

（1）把A的每一位和B的每一位按照序號相乘，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……以此類推。

（2）把以上相乘得到積相加再除以8（這裡碼片序列一共8位，所以m=8）

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

結果為0就說明A序列和B序列正交。

有多人進行通話時，基站會向每一部手機發送一份經過疊加後的訊號，此時每一部手機就會透過碼片來過濾出屬於自己的訊號。如何過濾呢？

假設基站同時給A和B手機發送訊號，基站向A傳送數字訊號110，向B傳送數字訊號010。基站傳送疊加後的訊號，碼片序列為（0 0 -2 +2 0 -2 0 +2），A手機的碼片序列為（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1），B手機的碼片序列為（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）,C手機的碼片序列為（-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1）。

A、B、C三個手機的碼片序列和收到的碼片序列做格式化內積，如果得數是+1，說明收到的數字訊號是1，如果得數是-1，說明收到的數字訊號是0，如果得數是0，說明該手機沒有收到訊號。

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

所得結果再除以碼片長度８，得１，Ａ手機收到一位數字訊號１。

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

所得結果再除以碼片長度８，得-１，B手機收到一位數字訊號0。

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

所得結果再除以碼片長度８，得0，C手機沒有收到數字訊號。

2.6 數字傳輸系統

2.6.1 脈衝編碼調製PCM體制

模擬訊號一般透過脈碼調製（Pulse Code Modulation，PCM）方法量化為數字訊號。模擬訊號經過取樣、對取樣的值進行量化，對量化的取樣進行數字化編碼，將編碼後的資料轉化成數字訊號傳送。

PCM的兩個重要國際標準：

1. E1（歐洲30路PCM，速率為2.048Mb/s）

（1）E1的成復幀方式。

E1的一個時分複用幀（長度為T=125μm），共劃分為32個相等的時隙，時隙編號為CH0-CH31。

時隙CH0用作幀同步，時隙CH16用來傳輸信令，剩下的CH1-CH15和CH17-CH31共30個時隙用作30個語音話路。

E1載波的控制開銷佔6.25%。

每個時隙傳送8bit（7bit編碼加上1bit信令），因此共用256bit。每秒傳送8000個幀，因此PCM一次群E1的資料速率就是8000×8×32=2.048Mb/s，其中每個話音通道的資料速率是64kb/s。

（2）E1的成幀方式。

E1中的第0時隙用於傳輸幀同步資料，其餘31個時隙可以用於傳輸有效資料。

（3）E1的不成幀方式。

所有32個時隙都可用於傳輸有效資料。

E1有以下三種使用方法：

2M的DDN方式：將整個2M用作一條鏈路。

CE1方式：將2M用作若干個64k線路的組合。

PRA信令方式：也是E1最原本的用法，把一條E1作為32個64k來用，但是時隙0和時隙16用作信令，一條E1可以傳30路話音。

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，速率為1.544Mb/s）

T1系統共有24個語音話路，每個時隙傳送8bit（7bit編碼加上1bit信令），因此共用193bit（192bit加上1bit幀同步位）。每秒傳送8000個幀，因此PCM一次群T1的資料率=8000×193b/s=1.544Mb/s，其中每個語音通道的資料速率是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 同步光纖網（SONET）

舊的數字傳輸系統存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：

速率標準不統一

如果不對高次群的數字傳輸速率進行標準化，國際範圍的高速資料傳輸就很難實現。

不是同步傳輸

在過去相當長的時間，為了節約經費，各國的數字網主要是採用準同步方式。

由於PCM速率不統一（T1和E1共存）、屬於準同步方式，因此人們提出同步光纖網（Synchronous Optical Network，SONET）解決上述問題。SONET使用非常精確的銫原子鐘提供時間同步。

SONET和PCM都是每秒鐘傳送8000幀，STS-1幀長為810位元組，因此基礎速率為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 同步數字系列（SDH）

同步數字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)是ITU-T 以美國標準 SONET 為基礎制訂出的國際標準。SDH 的基本速率155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模組 (Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相當於 SONET 體系中的 OC-3 速率。

STM-1=155.52 Mb/s

STM-N代表N倍的STM-1=155.52 Mb/s。

當資料傳輸速率較小時，可以使用SDH提供的準同步數字系列PDH相容傳輸方式。

該方式在STM-1中封裝了63個E1通道，可以同時向63個使用者提供2Mb/s的接入速率。PDH兼任方式有兩種介面，一種是傳統的E1介面，如路由器上的G.703轉V.35介面；另一種是封裝了多個E1通道的CPOS介面。

2.7 接入技術

2.7.1xDSL

銅線寬頻接入技術也就是xDSL技術，xDSL 技術就是用數字技術對現有的模擬電話使用者線進行改造，使它能夠承載寬頻業務。DSL是數字使用者線路（Digital Subscriber Line）的總稱。而DSL的字首 x 則表示在數字使用者線上實現的不同寬頻方案。包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等。

xDSL 技術就把 0-4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高階頻譜留給使用者上網使用。

常見的ADSL接入方式有以下兩種：

（1）ADSL虛擬撥號

採用專門的協議PPPoE（PPP over Ethernet），撥號後直接由驗證伺服器進行檢驗，使用者需輸入使用者名稱和密碼，檢驗通過後就建立起一條高速的使用者數字並分配相應的動態IP。

（2）ADSL專線接入

類似於專線的接入方式，使用者配置好ADSL MODEM後，PC設定固定的IP地址、掩碼、閘道器之後就可以和局端自動建立起一條鏈路。

ADSL的特點：

u 上行和下行頻寬做成不對稱的。

u ADSL在使用者線兩端各安裝一個ADSL調變解調器。

u 我國目前採用的方案是離散多音訊DMT（Discrete Multi-Tone）調製技術。

DMT調製技術採用頻分複用的方法，把4kMz以上一直到1.1MHz的高階頻譜劃分為許多的子通道，其中25個子通道用於上行通道，而249個子通道用於下行通道。

每個子通道佔據4kHz頻寬，並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調製。這種做法相當於在一對使用者線上使用許多小的調變解調器並行地傳送資料。

2.7.2 HFC

HFC（Hybrid Fiber－Coaxial）：光纖同軸電纜混合網。

HFC 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬頻接入網。HFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、資料和其他寬頻互動型業務。現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網路，它採用模擬技術的頻分複用對電視節目進行單向傳輸。而 HFC 網則需要對 CATV 網進行改造，HFC 網將原 CATV 網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖，並使用模擬光纖技術。

HFC通常由光纖幹線、同軸電纜支線和使用者配線網路三部分組成，從有線電視臺出來的節目訊號先變成光訊號在幹線上傳輸；到使用者區域後把光訊號轉換成電訊號，經分配器分配後透過同軸電纜送到使用者。

電纜調變解調器(Cable Modem,CM)，是使用者裝置和同軸電纜網路的介面，是有線電視網路（Cable TV,CATV）網路使用者端必須安裝的裝置。

由於有線電視實現的是同軸電纜入戶，可以利用已有的有線電視網路實現網路入戶。HFC是光纖到小區（或樓），同軸電纜入戶。

由於是網路接入，資料在使用者和Internet之間傳輸，所以HFC必須是雙向傳輸系統。由於是利用已有的有線電視網路實現網路連線，所以需要有線電視所需的一系列裝置。由於同軸電纜入戶，所以使用者的頻寬是同軸電纜能達到的10Mbps-36Mbps。

路由器工作於ISO-OSI參考模型的第三層（網路層），負責各個網路之間的資料轉發，屬於網路的核心結點範疇，通常並不會負責具體的使用者接入工作。HFC的使用者接入工作是由調變解調器（Modem）實現的。