【简记】Computer Networking——physical layer
本章主要任务：
（1）物理层的任务
（2）几种常用的信道复用技术
（3）几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx
2.1 物理层的基本概念
物理层的任务是传输数据比特流。
物理层的作用是尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使得物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
- 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
- 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1模型
数据(data)——运送消息的实体。
信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。使用二进制编码时，只有两种码元。
2.2.2 有关信道的基本概念
三种基本方式：
单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。
调制分为两大类，一是基带调制（又称为编码），把一种数字信号转换成另一种数字信号。二是带通调制，将基带信号的频率变高并且转换成模拟信号。
2.2.3 信道的极限容量
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/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。
对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。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。
2.3 物理层下面的传输媒体
2.3.2 非导引型传输媒体
无线传输所使用的频段很广。
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播。
- 地面微波接力通信
- 卫星通信
2.4 信道复用技术
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。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。
时分复用可能会造成线路资源的浪费：
由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
统计时分复用（STDM）是改进的时分复用，每一个STDM的时隙数小于连接在集中器上的用户数，当一个帧的数据放满了就传送出去。缺点是，假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，则它内部设置的缓存会溢出。
2.4.2 波分复用
就是光的频分复用。
2.4.3 码分复用
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
eg: 当m为8时
S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
2.5 数字传输系统
2.6 宽带接入技术
2.6.1 ADSL技术
ADSL （非对称数字用户线，Asymmetric Digital Subscriber Line）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。
ADSL 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。
非对称：因为用户上网时主要从网络下载文档，所以下行带宽都远远大于上行。
ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率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。我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。
DMT 技术：
DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），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。
2.6.2 光纤同轴混合网（HFC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。
用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即：
使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
使用双绞线连接到用户的电话机。
使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
与ADSL比较：
在使用ADSL调解器时，用户PC说连接的电话线是该用户专用的，因此用户线上所能达到的最高数据率是确定的，与其他用户是否上网无关，
但是在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段的用户所能享受的最高数据率是不确实的，取决于此时电缆上有多少个用户正在传输数据。（最高理想速率可以做到比ADSL快，但实际体验并不一定）
2.6.3 FTTx技术
光纤到户（FTTH）
（如果觉得这篇文章对你有用的话可以打赏一下搬运工么？其实更想测试一下阅读量是不是真的…….）