1，物理层的基本概念

• 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
• 现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段地差异，使物理层上面地数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只考虑如何完成本层地协议和服务，而不必考虑网络具体地传输媒体和通信手段是什么。
• 用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。
• 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特征，即：
  1. 机械特征：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等。
  2. 电气特征：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  3. 功能特征：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
  4. 过程特征：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
• 数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（出于经济的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2，数据通信的基础知识

1，数据通信系统的模型

• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端，发送方），传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端，接收方）。
  

• 源系统一般包含以下两个部分：

  • 源点（source）：源点设备产生要传输的数据。如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。
  • 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在计算机很多都使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器）。

• 目的系统一般也包括以下两个部分：

  • 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
  • 终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出，终点又称为目的站或信宿。

• 在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

• 常用术语

  • 通信的目的是传送消息（message）。语音，文字，图像，视频等都是消息。
  • 数据（data）是运送消息的实体。
  • 信号（signal）是数据的电气或电磁的表现。
    • 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类：
      • 模拟信号，或连续信号—代表消息的参数的取值是连续的。
      • 数字信号，或离散信号—代表消息的参数的取值是离散的。

2，有关信道的几个基本概念

• 信道（channel）：信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
• 从通信的双方信息交互的方式，可有以下三种基本方式
  1. 单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
  2. 双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送或接收信息，但不能双方同时发送或接收信息。
  3. 双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送或接收信息。
• 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。
• 来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决此问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。
• 调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特征相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此人们更愿意将这种过程称为编码（coding）。另一类调制则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

1，常用编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
• 曼彻斯特（Manchester）编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

2，基本的带通调制方法

• 调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。如：0或1分别对应于无载波或有载波输出。
• 调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。如：0或1分别对应于频率$$f_1$$或$$f_2$$。
• 调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。如：0或1分别对应于相位0度或180度。

3，信道的极限容量

• 数字通信的优点是：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就可视为无影响。如下图a表示信号通过实际的信道传输后虽然有失真，但在接收端还可以识别并恢复出原来的码元。图b就不同了，这时信号的失真已很严重，在接收端无法识别码元是1还是0。码元传输的速率越高，信号传输的距离越远，噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
  

• 从概念上看，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个。

  1. 信道能够通过的频率范围
     1. 具体的信道所能够通过的频率范围是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
     2. 如果信号中的高频分量在传输时受到衰弱，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。
     3. 严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。
  2. 信噪比
     1. 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为$$S/N$$。
     2. 信噪比（dB）= $$10lo{g}_{10}(S/N)(dB)$$
     3. 香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是$$C=Wlo{g}_2(1+S/N)(bit/s)$$。W为信道的带宽（以Hz为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
     4. 香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
     5. 香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法实现无差错的传输。
     6. 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率呢？这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
     7. 香农公式告诫工程人员，在有噪声的实际信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破公式给出的信息传输速率的绝对极限。

3，物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类：
  • 导引型传输媒体
    • 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
  • 非导引型传输媒体
    • 非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

1，导引型传输媒体

1，双绞线

• 双绞线也称为双扭线，把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合（twist）起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

• 在电话系统中使用的双绞线，其通信距离一般为几公里。如果使用较粗的导线，则传输距离也可以达到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，其通信距离就越远。

• 在传输高速数据的情况下，为了提高双绞线抗电磁干扰的能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的串扰，可以采用增加双绞线的绞合度以及增加电磁屏蔽的方法。

• 无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）（下图a）的价格较便宜。当数据的传输速率增高时，可以采用屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，简称STP），如果是对整条双绞线电缆进行屏蔽，则标记为x/UTP。若x为F（Foiled），则表明采用铝箔屏蔽层（下图b）；若x为S（braid Screen），则表明采用金属编制层进行屏蔽（这种电缆的弹性较好，便于弯曲，通常使用铜编制层）；若x为SF，则表明在铝箔屏蔽层外边再加上金属编织层进行屏蔽。更好的办法是给电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层（记为FTP或U/FTP，U表明对整条电缆不另增加屏蔽层）。如果在此基础上再对整条电缆添加屏蔽层，则有F/FTP（整条电缆再加上铝箔屏蔽层）或S/FTP（整条电缆再加上金属编制层进行屏蔽）。所有的屏蔽双绞线都必须有接地线。下图c表示5类线具有比3类线更高的绞合度（3类线的绞合长度是7.5-10cm，而5类线的绞合长度则是0.6-0.85cm）。绞合度越高的双绞线能够用越高的数据率传输数据。下图d所示的是三种10GBASE-T电缆，在抗干扰能力上，U/FTP比F/UTP好，而F/FTP则是最好的。

1，常用双绞线的类别，带宽和典型应用

绞合线类别	带宽	线缆特点	典型应用
3	16MHz	2对4芯双绞线	模拟电话：传统以太网（10Mbit/s）
5	100MHz	与3类线相比增加了绞合度	传输速率100Mbit/s（距离100m）
5E（超5类）	125MHz	与5类相比衰减更小	传输速率1Gbit/s（距离100m）
6	250MHz	改善了串扰等性能，可使用屏蔽双绞线	传输距离10Gbit/s（距离35-55m）
6A	500MHz	改善了串扰等性能，可使用屏蔽双绞线	传输速率10Gbit/s（距离100m）
7	600MHz	必须使用屏蔽双绞线	传输速率超过了10Gbit/s，距离100m
8	2000MHz	必须使用屏蔽双绞线	传输速率25Gbit/s或40Gbit/s，距离30m

• 不论使用那种类型的双绞线，衰减都随频率的升高而增大，使用更粗的导线可以减小衰减，但增大了重量和成本。信号应该有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确的被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方式有很大的关系。

2，同轴电缆

• 同轴电缆由内导体铜质芯线，绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层以及绝缘保护套层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。
  

3，光缆

• 光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信的。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为$$10^{8}MHz$$的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

• 光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

• 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。纤芯很细，其直径只有8-100μm（1μm=$$10^{-6}$$m）。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
  

• 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤（下图a）。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤（下图b）。单模光纤的纤芯很细，制造成本高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在100Gbit/s的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。
  

• 在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850nm，1300nm和1550nm。后两种情况的衰减都较小。850nm波段的衰减较大，但在此波段的其他特征均较好。

2，非导引型传输媒体

• 无线电微波通信在当前的数据通信中占有特殊重要的地位。微波的频率范围为300MHz-300GHz（波长1m-1mm），但主要使用2GHz-40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。

• 在使用微波频段的无线蜂窝通信系统中，有时基站向手机发送的信号被障碍物阻挡了（下图）无法直接到达手机。但基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射到达手机。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。
  

• 短波通信（即高频通信）主要依靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象，以及电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。

• 当利用无线信道传送数字信号时，必须使误码率不大于可容许的范围，下图曲线是根据通信理论计算出的，需要了解有关的三个基本概念。
  

  1. 对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。
  2. 对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。
  3. 如果移动用户在进行通信时还在不断改变自己的地理位置，就会引起无线信道特征的改变，因而信噪比和误码率都会发生变化

• 为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，这种通信方式称为“微波接力”。

• 微波接力可用于传输电话，电报，图像，数据等信息，主要特点是：

  • 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
  • 微波传输质量较高。
  • 与相同容量和长度的电缆载波通信相比，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区，江河。

• 微波接力通信的缺点：

  • 相邻站之间必须直视（常称为视距LOS（Line Of Sight）），不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
  • 微波的传播容易受天气影响。
  • 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽型和保密性较差。
  • 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

• 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步地球卫星发射出的电磁波能够辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1.8万多公里，面积约占全球的三分之一。只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。

• 卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。

• 卫星通信的另一个特点就是具有较大的传播时延。“卫星信道的传播时延较大”并不等于“用卫星信道传输数据的时延较大”。

• 卫星通信还非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性则相对较差。

• 要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段可以自由使用（只要不干扰他人在这个频段中的通信）。如美国ISM（Industrial ，Scientific，and Medical（工业，科学与医药）），正好满足计算机无线局域网的需求。
  

4，信道复用技术

1，频分复用，时分复用和统计时分复用

• 复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念。
  

1，频分复用

• 频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）
• 频分复用当有N路信号要在一个信道中传送。可以使用调制的方法，把各路信号搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰，各路信号在自己分配到的信道中传送。
• 频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源（此处的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）
• 使用频分复用时，若每个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。

2，时分复用

• 时分复用TDM（Time Division Multiplexing）
• 时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧）。每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一路信号所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也称为等时（isochronous）信号。
• 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
• 时分复用更适合于数字信号的传输。
• 使用时分复用时，每个时分复用帧的长度是不变的，始终是125μs。若有1000个用户进行时分复用，则每个用户分配到的时隙宽度就是125μs的千分之一。
• 当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

3，统计时分复用

• 统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，能明显地提高信道的利用率。

• 集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将其数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。如下图。
  

• 统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。可以看出，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此，统计时分复用可以提高线路的利用率。还可看出，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性的出现的。因此，统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

• 由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户的，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须有的和不可避免的一些开销。

• 使用统计时分复用的集中器也叫作智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力（但大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特），通过排队方式使各用户更合理的共享信道。此外，许多集中器还可能具有路由选择，数据压缩，前向纠错等功能。

4，其他补充

• 使用FDM和TDM的复用技术，可以让多个用户（可以处在不同地点）共享信道资源。如下图a的频分信道，可让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。这种方式称为频分多址接入FDMA（Frequency Division Multiple Access），简称为频分多址。下图b中的时分信道，则可让4个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这4个时隙。这种方式称为时分多址接入TDMA（Time Division Multiple Access），简称为时分多址。注意FDMA或TDMA中的“MA”表明“多址”，意思是强调这种复用信道可以让多个用户（可以在不同地点）接入进来。而“FD”或“TD”则表明所使用的复用技术是“频分复用”或“时分复用”。但术语FDM或TDM则说明是在频域还是在时域进行复用，而并不强调复用的信道是用于多个用户还是一个用户。
• 在进行通信时，复用器（multiplexer）总是和分用器（demultiplexer）成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。
• TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧。这种“帧”和后面数据链路层的“帧”是完全不同的概念。

2，波分复用

• 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。

• 使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就可使光纤的传输能力成倍地提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不同频率来表示所使用的光载波。

• 起初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用WDM。现在已经可以在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）。
  

• 上图表示了8路传输速率为2.5Gbit/s的光载波（其波长均为1310nm），经光的调制后，分别将波长变换到1550-1557nm，每个光载波相隔1nm。（实际上，对于密集波分复用，光载波的间隔一般是0.8nm或1.6nm）。这8个波长很接近的光载波经过光复用器（波分复用的复用器又称为合波器）后，就在一根光纤中传输了。但光信号传输一段距离后就会衰减，因此必须对衰减了的光信号进行放大才能继续传输。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）。它是一种光放大器，不需要向以前那样复杂，先把光信号转换成电信号，经过电放大器放大后，再转换为光信号。EDFA不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大，而且在1550nm波长附近有35nm频带范围提供较均匀的，最高可达40-50dB的增益。两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km，而光复用器和光分用器（波分复用的分用器又称为分波器）之间的无光电转换的距离可达600km（只需放入4个EDFA光纤放大器）。

3，码分复用

• 码分复用CDM（Code Division Multiplexing）
• 当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初用于军事通信。因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
• 随着技术发展，CDMA设备价格下降，体积缩小，已被广泛使用于民用移动通信中，特别是无线局域网中。采用CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量（是使用GSM的4-5倍）降低手机的平均发射功率，等等。

5，数字通信系统

1，同步光纤网

• 美国1988年推出一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET（Synchronous Optical Network）的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
• SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构。
  1. 对电信号称为第1级同步传输信号（Synchronous Transport Signal），即STS-1，其传输速率为51.840Mbit/s。
  2. 对光信号称为第1级光载波（Optical Carrier），级OC-1。现已定义从51.84Mbit/s（即OC-1）一直到39813.120Mbit/s（即OC-768/STS-768）的标准。

2，同步数字系列

• ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系统SDH（Synchronous Digital Hierarchy）
• 一般可认为SDH与SONET是同义词。主要不同点是：SDH的基本速率为155.520Mbit/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。

6，宽带接入技术

• 从宽带接入的媒体看，可以划分为两大类：
  • 有线宽带接入
  • 无线宽带接入（暂不讨论）

1，ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承受宽带数字业务。

• 由于用户当时上网主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。“非对称”由此得出。

• ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。

• ADSL所能得到的最高数据率传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

• ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有多种。我国采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多子信道，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，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。由于用户线的具体条件往往相差很大（距离，线径，受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。ADSL不能保证固定的数据率。

• 基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM（DSL Access Multiplexer），用户线和用户家中的一些设备。数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU（Access Termination Unit）。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此在电话端局（或远端站）和用户家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C（C代表端局（Central Office））和ATU-R（R代表远端（Remote））。用户电话通过电话分离器（Splitter）和ATU-R连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。电话分离器是无源的，它利用低通滤波器将电话信号与数字信号分开。将电话分离器做成无源的是为了在停电时不影响传统电话的使用。一个DSLAM可支持多达500-1000个用户。
  

• ADSL最大的好处就是可以利用现在电话网中的用户线，而不用重新布线。

• 第二代ADSL的优势

  1. 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
  2. 采用了无缝速率自适应技术SRA（Seamless Rate Adaptation），可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率。
  3. 改善线路质量评测和故障定位功能。

• ADSL并不适合于企业，因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。为了满足企业的需要，ADSL技术有几种变型。如：

  • 对称DSL，即SDSL（Symmetric DSL），把带宽平均分配到下行和上行两个方向，很适合企业使用，每个方向的速率分别为384kbit/s或1.5Mbit/s，距离分别为5.5km或3km。
  • 还有一种使用一对线或两对线的对称DSL叫做HDSL（High speed DSL），用来代替T1线路的高速数字用户线，数据速率可达768kbit/s或1.5Mbit/s，距离为2.7-3.6km。

2，光纤同轴混合网（HFC网）

• 光纤同轴混合网（HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话，数据和其他宽带交互型业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，采用了模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传播。后经有线电视网改造，变成了现在的光纤同轴混合网（HFC网）。

• 为了提高可靠性和信号的质量，HFC网把原来有线电视网中的同轴电缆主干部分改换成光纤，（如下图）。光纤的头端连接到光纤节点（fiber node）。在光纤节点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。从头端到用户家庭所需的放大器数目也就减少到仅4-5个。连接到一个光纤节点的典型用户数是500左右，但不超过2000。
  

• 光纤节点与头端的典型距离为25km，而从光纤节点到其用户的距离则不超过2-3km。

• 现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。
  

3，FTTx技术

• FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

  • FTTx表示Fiber To The…（光纤到…），如：
    • 光纤到户FTTH（Fiber To The Home）：光纤一直铺设到用户家庭。
    • 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）：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

• 一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效的利用光纤资源，在光纤和广大用户之间，还需要铺设一端中间的转换装置即光配线网ODN（Optical Distribution Network），使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。如下图是现在广泛使用的无源光配线网的示意图。“无源”表明在光配线网中无须配备电源，因此基本上不用维护，运营成本和管理成本都很低。无源光配线网常称为无源光网络PON（Passive Optical Network）
  

• 光线路终端OLT（Optical Line Terminal）是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的$$1:N$$光分路器（splitter），然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU（Optical Network Unit）发送。典型的光分路器使用分路比是$$1:32$$。

• 每个ONU根据特有的标识只接收发送给自己的数据，然后转换为电信号发往用户家中。

• OLT则给各ONU分配适当的光功率。

• 当ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA方式发往OLT，而发送时间和长度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纤主干。

• 光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。

• 无源光网络PON的种类很多，主流的有以下两种。

  • 以太网无源光网络EPON（Ethernet PON）。EPON在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。优点是：与现有以太网兼容性好，成本低，扩展性强，管理方便。
  • 吉比特无源光网络GPON（Gigabit PON）。GPON采用通用封装方法GEM（Generic Encapsulation Method），可承载多业务，对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性比EPON好。GPON成本稍高。