铜线、光纤、无线等的物理属性限制了网络的适用范围
使用模拟信号发送数字信号的过程叫做调制（modulation）
模拟信号是指用连续变化的物理表示的信息，其信号的幅度、频率、相位随时间连续变化。在变化范围内可以有任意的取值。
网络中常见的调制方式有调频、调相与调幅
数字信号由模拟信号经过离散化获得，时间离散，幅值离散，频率、相位离散。
所有自然中存在的都是模拟信号，数字信号需要以模拟信号为载体进行传输
物理层是参考模型的第1层，工作环境是相邻的两台设备。讲述比特作为信号在信道上递交时的协议，包括信号转换、信道使用等内容。
2.1 数据通信理论基础
每个给定的信道都有一定的数据传输能力，如何描述和定义这种数据传输能力是本节主要的关注点。
2.1.1 傅里叶分析
傅里叶级数展开只包含1f/2f/3f/…..的频率成分
f=1/T是信号的基频 ，T是信号周期；
f是基频，基频的整数倍被称作n次谐波
2.1.2 带宽有限的信号
信道的传输能力
bandwidth 带宽
信道的传输能力可以使用带宽和信道描述：
- 信道：用于传输信号的一个物理通道。可以是一个传输导线，也可以是一个频率范围，或几个传输导线的传输能力的复合。
信号在任何物理通道传输的过程中会有能量的损失，尤其是不同频率的信号损失程度不同。频率越高的信号损失能量越多。
给定一个传输介质，频率高的一些信号成分无法传输到接收方。（消耗完了）
- 带宽（Bandwidth）：在传输中不会明显减弱的频率的宽度，通常引用的带宽是指从0到使得接收能量保留一半的那个频率位置，是传输介质的一种物理属性。通常取决于介质的构成、厚度、电线或者光纤的长度。
滤波器（filter）可用来进一步限制信号的带宽
802.11无线信道允许使用的带宽约20MHz；
滤波技术（filtering）使得多个信号共享一段给定范围的频谱（某些信号的起始频率不等于0）；电视一个频道占6MHz
基带（baseband）信号：占用从0到某个最大频率的信号（信号范围0-）
通带（passband）信号：被搬移并占用更大频率范围的信号（信号范围-）；无线传输是通带信号。
电气工程：（模拟）带宽是可以通过信号的最大频率，以Hz度量；
计算机：（数字）带宽是一个信道传输最大速度数据速率（data rate），用bps（bits/s）来计量。
Hz是模拟带宽；bps是数字带宽
信号的频率
信号包含一种或多种频率成分（方波含有很多种频率成分）。
当信号在信道中传输时，高于信道截止频率的频率成分将由于能量衰减过多而不能通过信道。通过信道的只能是低于截止频率的成分。（低频部分描述信号概貌，高频部分描述信号细节。）
信号会发生变形，能否准确识别，依赖于通信双方的约定（信号发送设备和信号接收设备的）。通信双方需要根据能够传输过去的频率成分考虑合适的调制（编码）和解调制（解码），即什么样的信号对应什么样的比特（组合）。
Relation between data rate and harmonics.（约定：每一个周期信号表示8位，信道截止频率3000Hz）
基频：First harmonic=bps/8=1/T;
可以发送谐波数量：Harmonics sent = [3000/First harmonic]向下取整
波特率（Baud per second, Bps)：信道上每秒钟信号变化的次数；或信道上每秒钟传递的周期信号个数。
结论一：波特率的最大取值不大于信道带宽。因为波特率的取值等于所传周期信号一次谐波的频率值。
比特率（bit per second, bps）：信道上每秒钟发送或接收的比特位数（bit）。
结论二：bps=Bps*W，其中，W表示一个周期信号能够表达的信息位数。
在例子中，W=8。
推论一： 给定一个信道和一个周期信号能够表达的位数（给定了发送和接收设备，给定了识别算法），即给定了最大数据传输速率。
在例子中，最大数据传输速率为应该为24kbps
结论三：当波特率提高时，周期信号能够通过的谐波数减少，信号形状越来越难以识别，需要更好的识别算法。
Nyquist（奈奎斯特）采样定理
尼奎斯特定理 Nyquist（奈奎斯特）采样定理
用来表示一个有限带宽的无噪声信道的最大数据传输率。尼奎斯特定理用于计算理想情况下的最大数据传输速率，即在没有噪声干扰的情况下。根据尼奎斯特定理，信道的最大数据传输速率可以通过以下公式计算：
其中，Rmax 表示最大数据传输速率（单位为比特/秒），B 表示信道的带宽（单位为赫兹），V 表示信号的离散级数（即离散的幅度或相位级数）。
尼奎斯特定理告诉我们，通过增加信号的离散级数或者扩大信道的带宽，可以提高信道的最大数据传输速率。
例如，如果一个无噪音话音信道（3400 Hz），采用二进制信号传输，V=2，最大速率不能超过2×3400Hz=6800bps。若V = 16，最大速率则可提高到 27200=2*3400*4 bps。
信号的量化（quantization）和离散等级
不同的量化等级可以通过不同的电压电平来实现
假设滤波器带宽是B，理想状态下传输速率是？
香农定理
香农定理
用来表示有噪声信道的最大数据传输率或容量。香农定理用于计算在存在噪声干扰的情况下的最大数据传输速率。根据香农定理，最大数据传输速率可以通过以下公式计算：
其中，C 表示最大数据传输速率（单位为比特/秒），B 表示信道的带宽（单位为赫兹），S/N表示信号与噪声的比值（信噪比）。
带宽B实际上为一个信道支持的最大频率与最小频率的差值，即，信噪比的单位为dB
香农定理告诉我们，通过增加信道的带宽或提高信号与噪声的比值，可以提高信道的最大数据传输速率。
例如，模拟电话系统中，话音信道信噪比的典型值为 30dB（或者说因为1dB=10lgS/N，所以S/N=1000），那么最大数据传输速率为：C=3400×log2(1+1000)≈33888bps。
2.2 引导性传输介质
有导向的传输介质
2.2.1 磁介质 magnetic media
磁带、磁盘（移动硬盘），带宽大，传输成本低，但延迟大；几分钟到几小时；
例：光盘属于光介质
2.2.2 双绞线 twisted pair
双绞线是最常用的有线传输介质： 局域网内的网线（家用网线）, 电话线
- 双绞线是两根相互绝缘的铜线以螺旋形式绞在一起
- 绞在一起的电线产生的干扰信号相互抵消，降低辐射、减少干扰
- 信号通过两铜线之间的电压差传播，对外部噪声有更好的免疫力
- 外部噪声对两根平行的电线的影响是相同的，不会改变电压差
- CAT5 五类网线（基本淘汰）；CAT5E 超五类网线（家用常见），CAT6六类网线（家用常见），CAT6E超六类网线（公司内常见）
Full-duplex link （全双工链路，双向同时）
Half-duplex link（半双工链路，双向不同时）
Simplex link（单工链路，只有一个传输方向）
2.2.3 同轴电缆 coax cable
和双绞线相比，同轴电缆具有更好的屏蔽性和更大的带宽；因此有更长的传输距离和更高的传输速度。
同轴电缆的组成（从外到内）：铜芯，绝缘材料，编织外层导体，保护性塑料外壳
现在主要用于有线电视网络和计算机城域网
2.2.4 电力线 power line
优点：家庭内部电力线网络具有极大的便利性，
缺点：但数据传输性能差
- 高频信号在电线上有巨大的衰减
- 电气设备的开关产生很宽频率范围的电噪声
解决方法：采用抗频率损耗和突发错误的通信方案可以在家居电力线上达到不小于100Mbps的数据发送。
2.2.5 光纤 fiber coble
光纤通常用于长距离、高速的数据传输
- 骨干网使用光纤作为传输介质实现
- 高速局域网（FttH，光纤到户，大部分新住宅已经实现）
- 光纤传输系统由光源、传输介质（超薄玻璃纤维）和光探测器组成
- 电信号->发射光脉冲->传播->接收光脉冲->电信号
- 入射角度大于临界值的光在光纤内部反射可以长距离传输
- 多模光纤可以传输多个角度（多模）光束；单模光纤中的光线沿着一条直线传播（单模，类似波导guided wave）
- 光纤内折射>空气折射率（入射角<折射角）,通过全反射传播
光纤具有超高带宽（25000-30000GHz），低信号传输损失，因此可以长距离高速传输数据。
光纤通信中常用的三个波段：0.85微米，1.30微米和1.55微米
光缆的组成
高折射率玻璃芯（Core），低折射率硅玻璃包层，加强树脂涂层->光纤（光导纤维）
多根光纤捆扎成束，最外加塑料保护套
单模光纤
核心8-10um，光线沿直线传播
和激光结合进行远距离传输，例如超过100km，成本高
多模光纤
常见的光纤的主要形式
核心50um，光线沿折线传播
使用LED灯作为光源，成本低，适合短距离传输
2.3 无线传输
2.3.1 Electromagnetic Spectrum (电磁频谱)
不同波段（band）的电磁波具有不同的功用：
- 无线电可以长距离传输，适合大范围广播通信（wide-area broadcast）;
- 微波：是 LANs and 3G/4G等通信应用的选择;
- 红外线/可见光:距离短，无法穿透固体，适合视距内的通信（line-of-sight）
2.3.2 Radio Transmission （无线电）
无线信号在低频部分可以很好地穿透建筑物，进行长距离传输，但是随着距离信号源越来越远，在空气中传播能量以至少1/r2速度衰减，叫做路径损耗（path loss）；带宽太低
在高频部分，无线信号倾向以直线传播，遇到障碍物会反射，更容易被雨水和其他障碍物吸收。
2.3.3 Microwave Transmission （微波传输）
微波是300MHz-300GHz之间的电磁波，与无线电波相比，具有更大的带宽，被广泛的用于室内的局域网（或个域网）通信（如WiFi，Bluetooth）和室外的移动通信和卫星通信（3G/4G/5G，卫星）
- 微波不能很好的穿过物体，信号衰减也比较严重
- 微波传输存在多径衰落（multipath fading），可能造成信号相互抵消（无线传输中的重要问题）
- 多径衰落还会移动会造成信号强度的明显变化（有时相互加强，有时相互抵消）
2.3.4 红外传输
非引导性红外波具有方向性，但不能穿过固体，广泛应用于短程通信（e.g., 遥控器），并且具有防窃听性。
2.3.5 光传输
早期的光通信使用激光，极易受到环境影响（温度、湿度），但具有极大的带宽。
近几年，基于LED的可见光局域网（ Li-Fi）成为研究热点。优点：安全、高速、高带宽
2.5 数字调制与多路复用
一些基本概念（数据和信号）
数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。
- 模拟(Analog)数据：指的是在某个区间产生的取值范围连续的变量或数值
- 数字(Digital)数据：指的是取值范围是离散的变量或者数值
信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。
- 模拟信号与数字信号
- 基带( Base band )信号 ：信源发出的没有经过调制（频谱搬移和变换）的原始电信号
- 宽带( Broadband )信号：将基带信号进行调制（频谱搬移和变换）后形成的模拟信号
数字调制：为了发送数字信息，必须用模拟信号来表示比特。比特与代表他们的信号的转换过程叫做数字调制。
多路复用：用单根线缆传送几个信号的信道共享形式叫做多路复用技术。
数据→信号→在介质上传输→信号→数据
通信系统的任务
把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。
信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输，需要经过数字调制转换成相应的模拟信号进行传输
信道（数字信道和模拟信道）
- 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。
数字信道只有高电平(1)和低电平(0)两种状态（在光纤中有光线代表1，无光纤代表0）
抗干扰能力强、无噪声积累；便于加密处理；便于存储、处理和交换；设备便于集成化、微型化；便于构成综合数字网和综合业务数字网；占用信道频带较宽
- 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。
模拟信道中的电平随时间连续变化，时具有周期性的正弦波，如固定电话。
趋势：通信网的初期，所有信道都是模拟信道，随着数字技术的发展，模拟信道正在被数字信道所代替。现在的骨干网基本是数字信道（光缆）。
信号（模拟信号和数字信号）
- 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值
- 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值
编码
用一个编码符号代表一条信息或一串数据，叫做数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。
信号的两种（调制）传输方式
- 基带传输（Baseband communication）：
把数据比特直接转换成信号，信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率，最大取决于信令速度（信号变化的速度），这是有线介质普遍使用的一种调制方式。
- 通带传输（Passband communication）：
信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带，信号只能在给定的频带中传输；这是无线信道和光纤信道最常用的调制方式。
2.5.1 基带传输
考！！！
- 不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)
二进制数字0、1分别用两种电平来表示。
常用－5V表示1，＋5V表示0。
缺点: 不具备自同步机制，必须使用外同步。
- 曼彻斯特编码(Manchester code)
用电压的变化表示0和1。
- 差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)
与曼彻斯特编码类似，区别在于码元开始时的跳变
曼彻斯特编码
规定在每个码元的中间发生跳变：
高 →低的跳变——1，低→高的跳变——0
∵ 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。
∴ 曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。
差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)
与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：
用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ：
- 每个码元开始处有跳变——0
- 每个码元开始处无跳变——1
- 每个码元中间都有跳变（与曼彻斯特编码相同）
- 整个信号开头的第一个比特的编码按照曼彻斯特编码规则。
线路编码/Line codes
线路编码又称信道编码，其作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便在光纤中传输接收及监测
NRZ是最简单最直接的线路编码方式，但是实际上很少被使用（不可靠）
更加复杂的线路编码可以帮助通信系统提高带宽效率、时钟恢复和直流信号平衡
带宽效率
如何使用有限的带宽传递更多的数据：使用多个信号级别（离散等级）
时钟恢复
通信双方需要同样速率的时钟才能正确解析信号
当通信双方约定好编码方式时，如使用高电平表示1，低电平表示0。还需要约定信号的传输速率，如每秒钟传递1000个信号，则每位的时间长度为0.001秒。只有双方时钟完全一致，接收方才能正确识别解析为1000位。
但是，两台设备的时钟不可能完全一致，总存在误差。当数据传输速率较低且传输数据量较少时，这种误差可以忽略。否则，就会引起识别的错误。这种现象称为时钟漂移。曼彻斯特编码每位携带时钟信息，有利于时钟恢复。
要准确的解码，信号需要提供足够的状态变化（0变1，1变0）一长串的0或者1会存在时钟的恢复问题（时钟漂移），解决策略：
- 曼彻斯特编码
让时钟以2倍的比特率的速度运行
时钟信号和数据信号进行异或操作，在每个比特时间内发生一次跳变
需要两倍于NRZ码的带宽，带宽效率不高。
- 不归零逆转编码（NRZI，Non-Return-to-Zero Inverted）
用信号跳变表示1，信号不跳变表示0
解决了连续1的问题（每个1都会在NRZI中引入一个跳变）
连续0的问题仍然没有解决
- 4B/5B编码
每4个比特的数据（data）分成一组，根据转换表映射成5位比特的编码（code）
被选择的5位比特编码保证映射结果不会出现连续3个0
增加了25%的带宽开销（曼彻斯特编码增加了100%）
未使用的5位比特编码可用于物理层控制信号（11111线路空闲，11000开始）
- 扰频
在发送数据前使用扰频器（scrambler）产生伪随机序列，与数据进行异或操作
经过异或操作后数据接近伪随机序列。
接收端使用相同的伪随机序列进行异或操作恢复出原始数据。
优点：不增加带宽或时间开销；缺点：无法保证不出现长期状态不变的情况
平衡信号
平衡信号：在一段时间内，正电压与负电压一样多的信号。均值为0，能够避免直流信号。
平衡信号（无直流分量）的优点
- 直流分量在信道上有剧烈的衰减
- 电容耦合只允许交流部分通过，传输直流信号浪费能量
双极编码（一种平衡码）
- 用+1V和-1V表示逻辑1，0V表示逻辑0，
- 发送1时，发射器在+1V和-1V两个电平之间选择，达到信号平衡。
- 在电话里网络中被称为交替标记逆转（AMI，Alternative Mark Inversion）
2.5.2 通带传输
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制
载波 S(t) = A cos (wt+j)
S(t)的参量包括： 幅度A、频率w 、相位j 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化
幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)
不同的振幅来表示0或1
两个或更多的幅值等级可以表示更多的符号
频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频
相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相
BPSK（二进制相移键控）在每个符号周期内把载波波形改变0或180度
BPSK的Binary指的是两个符号，而不是每个符号代表2比特（1个符号1比特）
QPSK（正交相移键控）包括4中相位偏移（45，135，225，315度）
数据率 = 信号速率 x
M：调制级数
Question: QPSK一个符号应该代表几个比特？ Answer: 2bits
混合调制模式
调制模式可以综合使用，使得每个符号传输更多比特
振幅和相位可以结合起来一起调制
- QAM-16，QAM-64 （正交振幅调制）
QAM-16每个符号传输4个比特
QAM-64每个符号传输6个比特
- 正交振幅调制和相移键控可以用星座图表示
频率和相位不能同时调制
- 频率是相位随时间的变化率，相位调制会影响频率的计算
星座图 Constellation diagrams
格雷码
任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同
- 使用自然二进制编码，两个相邻转态的错误判断会产生多位错误（0111-1000）
- 使用格雷码，相邻状态的错误只会产生一位错误，数据的错误率
复用（FDM；WDM；TDM）
2.5.3 频分复用 FDM
频分复用
原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。
多路复用中每个信道所分配的带宽大于通信实际需要的带宽，多出的频带叫做保护带（guard band），使信道之间完全隔离
NB 即使有保护带，因为滤波器是非理想的，相邻信道间仍然可能存在重叠
正交频分复用
OFDM是实现复杂度最低，应用最广的多载波传输方案。
不存在保护带，将信道分成若干正交的子信道，提高利用率
每个子载波在相邻子载波的中心频率上的响应为0，因此可以在子载波的中心频率上采样而不受到邻居的干扰
2.5.4 波分复用 WDM
原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。
2.5.5 时分复用 TDM
原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙） ，每个用户按照固定的安排，轮流占用一个通道传输数据。
时分复用要求输入流时间上必须同步，为了适应时钟的微小变化，增加保护时间（guard time）间隔。
常用在语音电话网络和蜂窝网络
Statistics TDM：STDM（统计时分复用）
- TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。
- 改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。
2.5.6 码分复用 CDMA
码分多址（Code Division Multiple Access): CDMA中的用户根据自己分配到的特有的码片序列发送信息
- 1是发送分配到的码片序列，0是发送码片序列的反码
- 不同用户之间的码片序列两两正交（内积为0）
- 接收到混合信号后，用户使用自己的码片进行内积操作
- 发送1时，解码得到m（码片长度），发送-1，解码得到-m
2.6 公共电话交换网络 PSTN
Modem的调制方式（调幅；调频）
PSTN（Public Switched Telephone Network）作为早期用户接入互联网的主要方式，包含了现代网络中的一些主要思想和概念。三网（电信网，计算机网络，电视网）融合促进了电信部门同时支持电话业务和数据业务。
2.6.1 电话系统结构
电话系统的三个主要部分：
- 本地回路（家庭和公司的模拟双绞线）
- 中继线（连接交换局的数字光纤）
- 交换局（电话呼叫从这里从一条中继线接入到另一条中继线）
通过设置不同层次的交换局，避免全连接
特点：线路减少；按需连接；分布式保存、逐级呼叫，检索效率高；多条可选路径，灵活度高。
2.6.3 本地回路 Local loop（调制解调器、ADSL和光纤）
传统双线电话线路上传递模拟信号。
本地回路关注如何使用模拟信号尽可能快速的传递数据，主要设备是调制解调器（modem）。
调制是将数据转换为模拟信号，解调是将模拟信号转换为数据。
最初使用设备是电话调制解调器
之后调制解调器先是被ADSL取代，
此后在一些地方被光调制解调器取代（光猫）。
调制解调器可以内置到电脑中（电话调制解调器）或使用单独的盒子（DSL调制解调器和有线电视调制解调器）
电话调制解调器
电话调制解调器使用电话的4k带宽，所以电话和数据传输不能同时进行。
第一代使用2400个符号（采样信号），通过调整每个符号能够表达的数据位数不断提高数据传输速率。
第二代使用8k个符号（采样信号）。理论上可以达到很高的数据传输速率，但是由于香农定理的限制，极限值为35k或70kbps。
电话调制解调器将数字信号转化为模拟信号在模拟线路上传输
- 两端都存在本地回路的速度33.6kbps（调制解调器发送速率2400Hz，每个符号传递14个数据比特）
- 如果只有一端存在本地回路，理论上最大传输速率70kbps(信噪比提高)
- 实际使用的modem是56kbps
由尼奎斯特定理决定的： 电话系统内的电话信道运载的是数字样本值。每个电话信道 4000 Hz 宽，包括保护带在内。因此重构信号所需要的采样应该亥是每秒 8000次。在美国每个样本值为8比特，其中一比特用于控制目的，所以每个用户数据能获得 56 000 bps的数据速率。在欧洲，全部的8比特样本值都供用户使用，因此他们能使用 64 000 bps 的调制解调器，但国际协议标准选择了56 000。
数字用户线 Digital Subscriber Line
xDSL或DSL是所有基于数字用户线服务的统称；
ADSL（Asymmetric DSL）非对称数字用户线
ADSL
电话线带宽限制是由于引入了300-3400Hz的滤波器（通常引用为4000)
使用本地回路的所有1.1MHz频谱
频谱被分成256条独立信道：信道0用于简单老式电话服务（POTS, Plain Old Telephone Service），1-5空闲防止语音和数据干扰，1条用于上行控制，1条用于下行控制，其余用于传输用户数据。
一般80-90%带宽用于下行（用户下载数据量远大于上传）
ADSL：8M/1M；ADSL2：12M/1M；ADSL2+：24M（距离端局较近的良好线路上的最快速度，实际无法达到, 为什么？）
实际情况：1M/256K; 4M/1M; 8M/2M
非对称用户数字线路，采用FDM将线路带宽划分为多个信道，其中大部分用于下行数据（下载数据），小部分用于上行数据（上传数据），保留单独的语音信道，并使用几个信道隔离数据信道和语音信道，避免相互之间的干扰。
ADSL连接通常由两个设备组成：ADSL调制解调器和路由器。ADSL调制解调器连接到电话线路，将数据转换成适合在电话线上传输的信号，并且从电话线路接收数据，并将其转换回原始数据格式。路由器连接到ADSL调制解调器，并将数据分发给网络中的其他设备。
DSL宽带（Broadband）通过本地回路向电话公司的端局发送数据
电话和计算机通过分离器（splitter,是一个模拟滤波器）连到同一条电话线
根据不同的服务（adsl，adsl2，adsl2+）、与端局的距离，网速不同
住户处需要一个网络接口设备（NID，Network Interface Device）接口外是公共网络
NID和splitter只能由专业技术人员安装，产生高昂的上门费用
FttH光纤到户
光纤到户将本地回路升级为光纤，使用光信号传递数据。每大约100个用户的光纤通过分离器/组合器复合到一根到端局的光纤上，用户之间通过时分多路复用使用到端局的光纤。
- 一个波长的 被所有住户共享用于下行数据传输，另一个波长被所有住户共享用于上行数据传
- 多个用户使用时分复用的方式共享光纤带宽
- 光纤是是无源的（PON，Passive Optical Network），例如没有信号放大器
2.6.4 中继线和多路复用
干线（中继线）
中继线是电话系统中的骨干线路，用于连接不同层次的交换局，使用数字信号传输。现在的中继线一般为光纤，能够同时支持多路电话呼叫，采用的主要技术是多路复用技术。
时分多路复用 TDM
语音呼叫以电信号的形式在公共电话交换网的中继线上传播
基于PCM的TDM每125us为每路电话发送一个样本值（64kbps=88k）
T1载波包含24个语音信道，每125us每个信道发送8比特
每帧包含192比特（248）外加一个控制比特，总数据传输率1.544Mbps
第193比特使用扩展超帧的方法发送同步信号（中文版120最后一段）
波分多路复用 WDM
波分多路复用（ Wavelength Division Multiplexing ，WDM）是一种频分复用的形式，用于光纤上多个信号的传播，例如
- 每条光纤传输信号的能量位于不同的波长处
- 在combiner出汇合到一条共享光纤上
- 接收端splitter再分成多条光纤
- 每条光纤的filter为每个光纤过滤掉不需要的波长
- WDM是极高频率上的复用，是对光纤信道的描述，与电子FDM的区别是光纤复用系统是无源的（衍射光线），可靠性高
数字化语音信号
奈奎斯特定理（采样定理）：
如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：
1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样
2）量化——对每个样本舍入到量化级别上
3）编码——对每个舍入后的样本进行编码
脉冲编码调制PCM
语音信号通过PCM（Pulse Coded Modulation）脉冲编码调制转化为数字信号
话音信道带宽<4KHz
采样时钟频率：8KHz (> 2倍话音最大频率)
量化级数：256级 (8位二进制码表示)
数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s
∴ 每路PCM信号的速率 = 64000bps
SONET/SDH
同步光网络SONET (Synchronous Optical NETwork)是光中继线上进行数字信号传输的全球标准
保持125us不变，每一次传输810个字节（6480个比特），对应的传输速率是51.84Mbps
SONET是一个同步系统，不管是否存在有用数据都会把帧发送出去
SONET允许同步有效载荷包（SPE）在任何一个位置开始（可跨帧），Payload具有灵活性
2.6.5 交换
电路交换、分组交换、报文交换三种交换方式的比较
电话系统分为局外部分（本地回路和中继线，因为位于交换局外部）和局内部分（交换机）。
交换局内主要设备是交换机（交换节点），交换机连接多条线路，主要功能是把一条入境线路上来的呼叫交换到一条出境线路上。从而支持呼叫一直到接收方。
电路（虚电路）交换 circuit switching
电路交换是一种面向连接的工作方式。分为三步：使用前建立一条从发送方到接收方的路径；使用这条路径传输；传输完毕释放路径。
交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。原始的电路交换要占用整条线路，现代的虚电路通过复用技术只使用一个子信道)
特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。
呼叫——建立连接——传输——挂断
缺点：
- 建立连接的时间长
- 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低
- 无纠错机制
优点：
- 建立连接后，传输延迟小
数据包交换（分组交换） packet switching
包（分组）交换是一种非连接的工作方式。数据被分为多个包（分组），每个包包含完整的目的地址。每个包经过交换节点时，交换节点按照当前网络状况（交换表）为其选择一条输出线路。此过程一直持续直到包被传送到目的地。
将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。
优点：
1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快；
2）转发延时小——适用于交互式通信；
3）某个分组出错仅重发该分组——效率高；
4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。
特点：
1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。
2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。
两种交换技术的主要区别
电路交换有固定的线路，包交换没有固定路径。
包交换对于数据包的大小规定了严格的上限，没有用户长时间霸占线路；
延迟和拥塞产生位置不同：
- 包交换在交换局等待转发产生排队延时，拥塞来自转发数据包不及时；
- 电路交换拥塞发生在建立电路阶段（例如打电话时遇到占线忙音无法使用线路）
数据包交换不会浪费带宽，电路交换有可能浪费带宽
数据包交换比电路交换容错性更好：某个交换机出现故障，所有使用它的电路都被终止；数据包交换则可以绕过故障交换机。
二者收费方式不同：电路交换按照距离和时间收费（例如长途电话）；数据包交换流量是主要因素：ISP对用户包月收费，骨干网运营商则按照流量大小收取区域网络费用
报文交换（message switching）
报文交换中交换结点也采用存储转发方式。但报文交换对报文的大小没有限制，因此要求交换结点需要有较大的缓存空间。
三种数据交换方式的时延计算
（13年考研35题）
主机甲通过1个路由器（存储转发方式）与主机乙互联，两段链路的数据传输速率均为10Mbps，主机甲分别采用报文交换和分组大小为10kb的分组交换向主机乙发送1个大小为8Mb（1M=10^6）的报文。若忽略链路传播延迟、分组头开销和分组拆装时间，则两种交换方式完成该报文传输所需的总时间分别为
A. 800ms、1600ms B.801ms、1600ms
C. 1600ms、800ms D.1600ms、801ms
【解答】选D。
不进行分组时，发送一个报文的时延是8Mb/10Mbps=800ms，在接收端接收此报文件的时延也是800ms，共计1600ms。进行分组后，发送一个报文的时延是10kb/10Mbps=1ms，接收一个报文的时延也是1ms，但是在发送第二个报文时，第一个报文已经开始接收。共计有800个分组，总时间为801ms。
【考查知识点】本题考查报文交换和分组交换技术发送时延的计算。
2.7 移动电话系统
- First-Generation Mobile Phones: Analog Voice（模拟语音） 1G
- Second-Generation Mobile Phones: Digital Voice（数字语音） 2G
- Third-Generation Mobile Phones: Digital Voice and Data（数字语音和数据） 3G
2.7.1 第一代移动电话（1G）模拟语音
按钮通话系统（Push to talk）
只有一个信道用于发送接收，用户按一下按钮打开发送并关闭接收
改进型移动电话系统（IMTS）
两个频率分别用于发送和接收，但是信道数量少，用户等待很长时间才能听到拨号音。
高级移动电话系统（AMPS）
蜂窝移动系统
信道
AMPS使用FDM划分信道，共有832个双全工信道，按照功能分为四类：
- 控制信道 (由基站到移动电话)： 系统的管理
- 寻呼信道(从基站到移动电话)：提醒用户有呼叫到来
- 接入信道 (双向)：用于呼叫的建立和信道分配
- 数据信道（双向）：承载语音、传真、数据
2.7.2 第二代移动电话（2G）：数字语音
D-AMPS（Digital Advanced Mobile Phone System）：数字高级移动电话系统
全球移动通信系统GSM： Global System for Mobile Communications
80年代由欧洲提出，最成功的的2G标准
保留2G设计理念，以蜂窝为基础、频率跨蜂窝复用
SIM卡：用户识别模块（subscriber Identity Module）
移动电话通过空中接口与蜂窝基站通话
蜂窝基站连接到基站控制器（BSC），控制基站无线资源分配
BSC连接到MSC（移动交换中心）负责呼叫路由和PSTN相连
GSM使用124个不同频率的信道（FDM），每个信道分成8个时隙的TDM系统
八个阴影是属于相同的链接的时间槽，发送和接收各4个。发送和接收的时间槽位置不同因为GSM无线电不能同一时间收发，状态切换需要时间
CDMA
2.7.3 第三代移动电话:数字语音和数据
在我国使用的第三代移动电话的三个主要制式：
全球移动通信系统（UMTS，Universal）
- 爱立信提出并由欧盟推进
- 以宽带码分多址（WCDMA）为基础
- 在国内，联通的3G网络使用WCDMA
CDMA2000
- 美国高通公司提出
- 也是以码分多址为基础
- 在国内，电信的3G网络制式选择了CDMA2000
TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA）
- 中国制定的3G标准
- 中国移动的3G网络制式使用TD-SCDMA
- TD-SCDMA实际上的传输速率远低于WCDMA和CDMA2000
- 促使中国移动大力发展4G（TD-LTE）
2.8 有线电视
2.8.1 共用天线电视
早期的有线电视系
- 一个大天线用于接收空中传输的电视信号
- 一个放大器，也叫头端（Headend）用于信号的加强
- 一根同轴电缆，将信号输送到用户住宅附近。
- 分支电缆在同轴电缆的接头处将有线电视信号接入住宅中
- 这样的系统中信号是单向的
2.8.2 线缆上的Internet
早期有线电视运营商提供Internet接入和电话业务
- 所有单向放大器改为双向放大器
- Internet利用电视网络进行下行数据传输
- 通过电话网络的拨号链接进行上行数据传输
- 有线电视多个用户共享一个同轴电缆
- 在Internet服务中共享同轴电缆产生带宽竞争
2.8.3 频谱分配
在有线电视线缆上同时提供Internet服务使用频分多路复用
2.8.4 线缆调制解调器
通过有线电视电缆接入Internet需要调制解调器
一个接口连接计算机，另一个接口连接有线电视网络
多个用户以TDM方式共享上行流带宽，时间被细分为迷你槽（minislots）
多个调制解调器分配一个迷你槽，产生竞争
解决冲突方式1）多个用户使用CDMA方式共享迷你槽
解决冲突方式2）头部产生冲突，请求得不到确认，等待随机时间后再次尝试
下行通道只有一个发送者（headend），不存在竞争（电视信号是共享的），不需要迷你槽，使用统计时分多路复用。
