物理层-通信基础

物理层的主要功能是为数据端设备提供传送数据通路、传输数据，数据通信的目的是传送消息，这个传送消息的实体就叫做数据，它通常是有意义的符号序列。

第2章-物理层-通信基础

• 通信基础
  • 基本概念
    • 数据通信
      • 数据通信模型
        • 信息-->数字信号(计算机理解)-->模拟信号(物理线路传输)-->数字信号-->信息
        • 
      • 相关术语
        • 数据：传送信息的实体，有意义的符号序列
        • 信号：数据的电气/电磁的表现，数据传输过程中的存在形式。
          • 基带信号
            • 来自信源的信号，在数字信道上传输(基带传输，近距离使用)
          • 宽带信号
            • 基带信号经过载波调制后，于模拟信道上传输(宽带传输)
        • 信源、信宿：发送数据的源头和终点
        • 信道：信号的传输媒介
    • 通信、传输方式
      • 通信方式：单工、半双工、全双工
      • 传输方式：串行、并行
      • 同步、异步
        • 同步：传送数据时，需先送出1个或多个同步字符。整批发送。 异步：发送方任何时刻发送，但加一个起始位和终止位。分片发送
    • 术语
      • 书P32
• 奈氏准则 香农定理
  • 失真
    • 接收端收到的信号波形码元间的清晰界限变差
      • 严重:码间串扰，无法区别不同码元
    • 影响：码元传输速率，信号传输距离，噪声干扰
  • 奈氏准则
    • 理想信道中，极限码元传输率为2W波特（否则码间串扰）
      • W为信道的带宽Hz，最高频率-最低频率
    • 极限数据传输率
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        • eg.V=16，表示有16个不同码元。需要用4个bit表示，所以是Log2（16）
  • 香农定理
    • 带宽受限且有高斯白噪音干扰的信道的极限数据传输率
    • 信噪比(dB)=10log10(S/N)
    • 信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)(b/s)
      • W:带宽Hz
      • S:信道所传信号的平均功率
      • N:是信道内的高斯噪声
    • 意义
      • 所以带宽或者信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
      • 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率-->能找到方法来无差错传输
      • 香农得到的为极限，实际低于其不少。
  • 两者区别与适用
    • 奈氏
      • 带宽受限，无噪声条件下：避免码间串扰，码元传输速率上限2W Baud
        • 提高数据传输率
          • 设法使V更高：多元制调制方法/更好的编码技术
            • 二进制信号：V=2 四进制：V=4
          • 提高带宽
    • 香浓
      • 带宽受限有噪声条件下信息传输速率
        • 提高数据传输率
          • 提高带宽
          • 提高信噪比
    • 选择
      • 有噪声：香浓
      • 有V(码元数量)：奈氏
      • 两者都有：都算，取较小值
        • 
• 数据交换
  • 电路交换
    • 两个结点之间有一条专用物理连接线路
    • 阶段
      • 建立电路-->通信-->释放电路
    • 特点
      • 独占资源(通信中，电路一直由其占用)
      • 适合实时性要求高的大量数据传输
    • 优缺点
      • P36
  • 存储转发方式
    • 报文交换
      • 报文：站点一次性要发送的数据块，长度不限且可变。携带有目的地址，原地址等信息
      • 存储转发
        • 每个结点收下报文，检查差错
        • 利用路由信息，传送给下一个结点
      • 优点
        • 无须建立连接
        • 动态分配线路
        • 可靠性提高
          • 某条路出故障，可换路
        • 利用率提高
          • 没有独占线路
        • 提供多目标服务
          • 一个报文可同时发送给多个目的地址
      • 缺点
        • 存储转发增加转发时延
        • 报文大小没有限制，中间结点需要有缓存空间
    • 分组交换(Packet Exchanging)
      • 解决报文中，报文大小没有限制的问题
      • 分组：与报文相比，限制所传输的数据单位长度：128B。(小数据块+控制信息）
      • 存储转发，发送结点分组，接受结点组装
      • 优点
        • 报文的所有优点
        • 简化了存储管理
          • 相比报文，大小固定，中间结点更好管理
        • 加速传输
          • 相比报文，缓冲区不足而等待发送的时间减少；不同分组可并行传输
        • 减少出错概率和重发数据量
          • 分组较小，出错概率减少
      • 缺点
        • 传输时延：相比电路交换
        • 通信效率降低：每个分组有额外的信息
        • 失序，丢失，重复分组的可能性
      • 分类
        • 数据报
        • 虚电路
  • 交换方式比较
    • 信道利用率
      • 报文交换和分组交换优于电路交换
    • 适用场景
      • 分组交换
        • 突发式数据通信
        • 端到端间多段链路组成时
      • 电路交换
        • 传送数据大，传送时间>>呼叫时间
  • 数据报与虚电路
    • 分组交换的两种方式
    • 数据报
      • 报文拆成的若干带有序号的数据单元(序号+地址+信息)
      • 转发方式即存储转发方式，即传统分组交换方式。但是有确认收到(ACK)
        • (P39)
      • 可能失序
    • 虚电路
      • 数据报方式与电路交换方式结合
      • 虚电路
        • 模拟的电路，即由中间固定结点组成的电路，不是真正的物理链路。数据的传输是双向的
        • 虚:电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路能同时有若干虚电路通过。
        • 每个虚电路：特定两端之间。 两端之间：可有多个虚电路
      • 数据分组
        • 分组号+虚电路号(区别于其他虚电路的分组)+校验控制信息+数据
      • 过程
        • 虚电路建立、数据传输、数据释放
          • P40 图2.6
      • 特点
        • 链接建立和释放耗时
        • 某个结点故障，经过该结点所有线路废掉
        • 提供可靠的通信功能
          • 依次发送，保证每个分组正确且有序的到达
        • 首部没有目的地址，而是虚电路号
          • 开销较小
    • 两者比较
      • P41表2.1
• 编码和调制
  • 编码
    • 数据变换为数字信号
    • 数字数据-->数字信号(P34，图)
      • 归零编码
        • 每个时钟周期中间均跳变至低电平
          • 归零占用带宽，传输效率受到影响
      • 非归零编码NRZ
        • 高1低0，不归零，一直传数据
        • 没有检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以同步
      • 反向非归零编码
        • 遇见0则翻转信号，1则信号不变
      • 曼彻斯特编码
        • 一个码元分为两部分：1为前高后低，0为前低后高。中间跳转-->时钟信号
        • 缺点：所占频带宽度是原始基带宽度的2倍
          • 传输速率仅为调制速率的1/2
      • 差分曼彻斯特
        • 码元为1，前半个码元电平与上一个码元后半个码元电平相同，中间跳转：前同后异。0则相反：前异后同。
        • 每个码元中间都有一次电平跳转，可实现自同步，抗干扰性好
      • 4B/5B
        • 插入额外的比特来打破一连串0or1：5个bit来编码4bit的数据
        • 效率为80%
    • 模拟数据-->数字信号
      • 模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(音频数字化)
      • 采样定理
        • 
      • eg:PCM(对音频信号进行编码的脉码调制)
        • P36：采样、量化、编码
  • 调制
    • 数据变换为模拟信号
    • 数字数据-->模拟信号
      • 幅移、频移、相移键控(A,F,PSK)
        • 改变对应的振幅、频率、相位来表示1和0
        • 
      • 正交振幅调制(QAM)
        • 频率相同前提下，将ASK(调幅)和PSK(调相)结合起来，形成叠加信号。
        • ps：4个相位，每个相位4种振幅的QAM调制技术：16种码元
    • 模拟数据也可-->模拟信号