计算机网络-物理层

重点内容

物理层的任务
几种常用的信道复用技术
几种常用的宽带接入技术，重点是FTTx

重点内容

一.物理层的基本概念

二.数据通信基础知识

2.1通信系统模型

2.2信道

2.2.1调制

调制的两大类及其特点

1. 基带调制（Baseband Modulation / Coding）

2. 带通调制（Passband Modulation）

两种调制方式比较

2.2.2调制（编码）的几种方式

2.2.3信道的极限容量

2.3信道复用技术

2.3.1频分复用、时分复用和统计时分复用

1.频分复用

2.时分复用

3.统计时分复用

2.3.2波分复用

2.3.3码分复用

2.4宽带接入技术

2.4.1ADSL

2.4.2FTTx

概念

光配线网 (ODN)

1. 定义

2. 组成

3. 功能

无源光网络 (PON)

1. 定义

2. 特点

3. 工作原理

4. 常见的 PON 标准

ODN 和 PON 的联系

1. ODN 是 PON 的核心组成部分

2. 简单架构关系

3. 功能层次

类比

总结

2.5上行和下行

1. 下行（Downlink）

2. 上行（Uplink）

3. 上行与下行的例子

4. 为什么上下行速率不同？

5. 类比

一.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（如：双绞线，光纤等等）。

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性，即：

机械特性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。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
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的意义。
过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二.数据通信基础知识

2.1通信系统模型

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)
- 源点(source) 源点设备产生要传输的数据，例如，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。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含
  
  调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器
传输系统（或传输网络）——可以是简单的传输线，也可以是复杂的网络系统
目的系统（或接收端、接收方）。
- 接收器 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换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（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。

2.2信道

(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。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

(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信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。

(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和接收信息。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。

2.2.1调制

基带信号是指直接从信源产生的原始信号，其频率范围较低，例如语音、图像或数字信号。基带信号通常不能直接通过通信信道高效传输，因此需要调制。

调制的两大类及其特点

1. 基带调制（Baseband Modulation / Coding）

概念：
基带调制指的是仅对基带信号的波形进行变换，使其能够适应信道特性，但信号仍然保持在基带频率范围。由于这一过程主要处理数字信号的变换，通常称为编码（coding）。

作用：
- 适配信道特性，确保信号能够可靠传输。
- 优化传输效率，如减少误码率或提高信道利用率。
常见形式：
- 线路编码：将数字信号转换为适合信道传输的波形，如曼彻斯特编码、NRZ（不归零）编码。
- 信道编码：加入冗余信息以纠正传输过程中的错误，如海明码、CRC校验。
应用：
主要用于数字信号在低频范围内或固定介质（如电缆）中的传输，例如计算机内部信号传输、局域网中的以太网通信等。

2. 带通调制（Passband Modulation）

概念：
带通调制使用载波（carrier）将基带信号的频率范围搬移到较高频段，并将信号转换为模拟信号。调制后的信号称为带通信号（只在一段频率范围内传输），适用于模拟信道。

作用：
- 通过频率搬移，利用高频载波的传播特性，适应无线或长距离传输。
- 支持多路复用（频分复用等），允许多个信号共享同一物理信道。
常见形式：
- 模拟调制： 调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。
- 数字调制： 幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、正交幅度调制（QAM）。
应用：
主要用于无线通信、卫星传输、电视广播和移动网络。

两种调制方式比较

特点	基带调制	带通调制
频率范围	保持基带范围内（低频信号）。	将基带信号搬移到高频段（带通信号）。
是否使用载波	不使用载波。	使用载波进行调制。
信号形式	主要是数字信号转换为另一种数字信号。	基带信号转换为模拟信号或数字信号的高频形式。
适用场景	适合短距离或固定介质的信号传输（如电缆、光纤）。	适合无线通信或长距离传输（如无线电、卫星、蜂窝网络）。
多路复用支持	无法支持（频率范围固定）。	支持频分复用、时分复用等技术。
抗干扰能力	较弱（仅依靠编码方式提高抗干扰能力）。	更强（高频信号适应无线信道特性且易于抗干扰设计）。

2.2.2调制（编码）的几种方式

2.2.3信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素：

信道能够通过的频率范围——在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
信噪比——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，并用分贝(dB)作为度量单位。

2.3信道复用技术

2.3.1频分复用、时分复用和统计时分复用

1.频分复用

概念

频分复用是一种将信道的带宽划分为多个频率段，给不同用户分配不同频率进行通信的技术。
每个用户在不同的频率段上独占资源，同时通信互不干扰。

特点

同时传输：所有用户可以同时发送数据。
独立信道：每个用户使用不同的频率段。
带宽浪费：即使用户不传输数据，也占用其分配的频率段。

应用

传统模拟广播电视、调频广播（FM）和部分早期电话系统。

2.时分复用

概念

时分复用将一个信道按时间分为多个时间片（时隙），每个用户轮流占用时间片进行通信。
一个时间片内，只有一个用户可以使用信道资源。

特点

轮流使用：用户按顺序使用时间片，但在逻辑上实现了“并行通信”。
时间片分配：每个用户的时间片是固定的，无论数据量多少都会占用时间片。
延迟敏感：可能会引入等待时间，导致延迟问题。

应用

数字蜂窝通信（例如 GSM）、卫星通信。

3.统计时分复用

由于时分复用可能会造成线路资源的浪费，所以改进成为统计时分复用，实际上就是动态的分配给用户信道资源，如下图：

最后要强调一下， 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”和我们以后要讨论的数据链路层的“帧”是完全不同的概念，不可弄混。

概念

统计时分复用是一种动态分配时间片的技术，根据实际需要为用户分配信道资源。
不再固定分配时间片，而是统计分析用户的发送需求，有数据时才分配时间片。

特点

动态分配：资源分配基于用户需求，避免资源浪费。
效率更高：多个用户共用信道，不需要数据时不分配时间片。
复杂度更高：需要额外的控制机制来动态管理时间片。

应用

包交换网络（例如互联网）、现代通信系统。

2.3.2波分复用

概念

EDFA是光放大器，对衰减的光信号进行放大。

波分复用是一种光通信技术，通过将不同波长的光（即不同的颜色）叠加在一根光纤中传输，实现多路数据流的并行通信。
每个波长就像一个独立的信道，彼此互不干扰。

特点

高带宽利用率：多波长同时传输，大幅提高光纤容量。
独立性强：不同波长可携带不同类型的数据流。
需要光学设备：需要波分复用器（合波器）和解复用器（分波器）来进行波长管理。

分类

粗波分复用（CWDM）：波长间隔较宽，支持波长数较少，适合短距离传输。
密集波分复用（DWDM）：波长间隔更窄，支持更多波长，适合长距离高容量传输。

应用

长途骨干网通信、城域网、数据中心互联。

2.3.3码分复用

概念

码分复用是一种基于编码的复用技术，将不同用户的数据用唯一的“伪随机码”（PN码）调制后混合传输，接收端用相同的伪随机码解调出目标用户的数据。
每个用户的数据共享相同的信道，但通过不同的伪随机码区分。

特点

高并发：多个用户可以同时使用同一频段，无需时间或频率分割。
抗干扰能力强：伪随机码具有良好的正交性，能减少用户间的干扰。
复杂度较高：需要复杂的调制和解调技术，接收端需精确对齐伪随机码。

应用

无线通信（如 3G CDMA 系统）、卫星通信、定位系统（如 GPS）。

2.4宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线

宽带接入。由于无线宽带接入比较复杂，我们将在第 9 章中讨论这个问题。下面我们只限于

讨论有线宽带接入。

2.4.1ADSL

概念

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)非对称数字用户线是一种基于传统电话线（铜线）提供宽带接入的技术，允许数据和语音信号共用一根线路，同时实现高速互联网接入。

特点

非对称性：上行速率较低，下行速率较高，适合以下载为主的应用场景。
速率范围：
- 下行速率：1.5 Mbps 至 24 Mbps（取决于距离和技术版本）。
- 上行速率：16 Kbps 至 3.5 Mbps。
传输距离有限：速率会随着用户与电信局距离增加而降低，通常不超过 5 公里。
无需重新布线：充分利用现有电话网络资源。

工作原理

信号分离：通过分离器（Splitter），将电话语音信号和数字数据信号分离。
频率分割：利用高频部分（25kHz 以上）传输数字信号，低频部分（4kHz 以下）传输语音信号。

应用

家庭宽带接入。
小型企业的基本网络需求。

2.4.2FTTx

概念

FTTx 是一系列基于光纤通信的宽带接入技术的总称，“x” 代表光纤到达的具体位置。

分类

FTTH（Fiber To The Home，光纤到户）：
- 光纤直接铺设到用户家中，实现真正的“最后一公里”光纤接入。
- 带宽高、稳定性强，可达 1 Gbps 及以上。
FTTB（Fiber To The Building，光纤到楼）：
- 光纤铺设到用户所在建筑，最后通过铜缆或其他方式接入用户。
- 带宽有限制，但布线成本较低。
FTTC（Fiber To The Curb，光纤到路边）：
- 光纤铺设到用户附近的节点（通常是路边机柜），最后通过铜缆或 DSL 技术接入。
- 成本低，但带宽受限于铜缆性能。
FTTN（Fiber To The Node，光纤到节点）：
- 光纤到达更大的区域节点（如社区交换机），然后通过铜缆或无线方式分配信号。

特点

高带宽：光纤支持超高速率，适应未来网络需求。
长距离传输：信号衰减小，传输距离远。
成本因位置不同而异：FTTH 造价最高，FTTN 成本最低。
可靠性：光纤抗干扰性强，性能稳定。

应用

家庭和企业高速宽带接入。
视频点播、4K/8K 视频流、远程教育和医疗等场景。

光配线网 (ODN)

我们知道，一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段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。

1. 定义

光配线网（Optical Distribution Network, ODN）是光纤接入网络中的一部分，主要负责将光信号从光线路终端（OLT）传输到用户终端（ONU/ONT）。
它是一个无源光传输网络，不需要中间电子设备来放大或处理信号。

2. 组成

ODN 一般由以下部分组成：

光纤（Optical Fiber）：光信号的传输介质。
分光器（Splitter）：用于将一条光纤信号分成多条（如 1:32 分光）。
接头与连接器：用于连接光纤与设备。
光分配箱（Optical Distribution Box）：用于管理光纤分支和分光器。

3. 功能

提供光纤信号的传输通道。
负责光信号的分配和传递。
不需要电源，是纯光学的无源网络，可靠性高。

无源光网络 (PON)

1. 定义

无源光网络（Passive Optical Network, PON）是一种光纤接入技术，利用 ODN 实现从**运营商的中心机房（OLT）到用户终端（ONU/ONT）**的无源传输。

2. 特点

无源设备：在传输路径中，除了 OLT 和 ONU/ONT，整个网络中没有主动设备，不需要供电。
点到多点结构：通过分光器将一根光纤连接到多个用户终端。
高带宽、长距离：支持高速传输（如 GPON 提供 2.5Gbps 下行速率）和大覆盖范围（一般在 20km 以内）。

3. 工作原理

下行（OLT → ONU）：
- 数据以广播方式传输，所有用户都能接收到信号，终端根据标识接收属于自己的数据。
上行（ONU → OLT）：
- 各用户以时分复用（TDMA）方式发送数据，避免信号冲突。

4. 常见的 PON 标准

EPON（Ethernet PON）：基于以太网技术。
GPON（Gigabit-capable PON）：支持更高带宽和更高效率。

ODN 和 PON 的联系

1. ODN 是 PON 的核心组成部分

ODN 是 PON 的物理基础，负责光信号的传输和分配。
PON 是一种架构或技术，用于管理 ODN 中的信号通信和数据协议。

2. 简单架构关系

OLT（光线路终端）：PON 的核心设备，位于运营商机房。
ODN：承载 OLT 和 ONU/ONT 之间的物理光纤通道，包括光纤和无源分光器。
ONU/ONT（光网络单元）：用户侧设备，负责与用户终端设备的连接。

3. 功能层次

ODN 负责硬件层的连接和信号传输。
PON 负责实现数据通信协议、带宽分配、上下行传输等逻辑功能。

类比

可以把 PON 和 ODN 比喻为供水系统：

PON：是整个供水网络的控制系统，决定水流的分配、流量管理等。
ODN：是供水管道本身，把水从总水库（OLT）送到每个用户家中（ONU）。

总结

ODN 是一种物理网络结构，提供无源光信号传输。
PON 是一种技术体系，在 ODN 的基础上实现高效的数据通信。
两者密不可分，共同构成了现代光纤接入网络的核心。

2.5上行和下行

上行和下行是通信网络中的两个方向，描述数据传输的流向。

1. 下行（Downlink）

定义：从网络的中心（如基站、服务器、或互联网）向用户设备（如手机、电脑）发送数据的过程。
通俗理解：下载数据，比如：
- 看视频网站时接收的视频流。
- 浏览网页时接收的页面内容。
特性：
- 通常带宽较高，因为用户下载的需求量一般远大于上传。

2. 上行（Uplink）

定义：从用户设备（如手机、电脑）向网络的中心（如基站、服务器、或互联网）发送数据的过程。
通俗理解：上传数据，比如：
- 上传照片到云端。
- 向服务器发送请求。
特性：
- 通常带宽较低，因为上传的需求量一般小于下载。

3. 上行与下行的例子

场景	上行	下行
视频通话	发送自己的声音和视频数据	接收对方的声音和视频数据
下载文件	发送下载请求到服务器	接收文件数据
浏览网页	发送访问请求（URL 和参数）	接收网页内容
上传照片	上传照片数据到云存储	收到确认上传成功的反馈信息