Data Communication

综述

通信系统

  • source $\rightarrow$ transmitter 源系统)$\rightarrow$ transmission system $\rightarrow$(目的系统 reciver $\rightarrow$ destination
    • 单工 (simplex):电视
    • 半双工 (half duplex):对讲机
    • 双工 (full duplex):电话
  • 数字通信系统:数字基带传输
    • (模拟/数字)信息源$\rightarrow$信源编码$\rightarrow$加密$\rightarrow$信道编码$\rightarrow$数字调制$\rightarrow$信道$\rightarrow$数字解调$\rightarrow$信道译码$\rightarrow$解密$\rightarrow$信源译码$\rightarrow$受信者
  • 模拟通信系统:利用模拟信号来传输信息的通信系统
    • 模拟信息源(模拟消息)$\rightarrow$ 原始电信号(基带信号)$\rightarrow$调制器(已调信号)$\rightarrow$信道$\rightarrow$解调器(基带信号)$\rightarrow$受信者(模拟信号)
  • 混成系统

网络体系结构

  • TCP/IP 5层模型
内容
应用层 支持各种不同应用程序的逻辑
传输层 提供端到端的传输服务
网际互联层 提供多个网络的路由选择,能够让数据跨越多个互联网络
数据链路层 为与同一个网络相连的两个系统提供网络接入
物理层 负责数据传输设备与传输媒体的物理接口
媒介
  • 套接字:端口值+IP地址+(协议)
    • 流套接字:TCP
    • 数据报套接字:UCP
    • 原始套接字(raw socket):IP

数据传输

  • 数据:传达某种意义或信息的实体
    • 模拟数据:连续的值
    • 数字数据:离散的值
  • 信号:数据的电气或电磁表示方式
    • 模拟信号:连续变化的电磁波
    • 数字信号:电压脉冲序列,在导向媒体传输
      • 大规模集成电路
      • 数据完整性好
      • 容量利用率高
      • 安全保密
      • 易于储存

傅里叶分析

  • 正弦波:$s(t)=A\sin(2\pi ft+\phi)$
    • 波长:$\lambda=vT$
  • 周期信号的傅里叶级数:$x(t)=\frac{A_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty[A_n\cos(2\pi nf_0t)+B_n\sin(2\pi nf_0t)]$
    • 直流分量:$A_0=\frac{2}{T}\int_0^Tx(t)dt$
    • 基频:$f_0=\frac{1}{T}$
    • 谐频:$kf_0$
    • $A_n=\frac{2}{T}\int^T_0x(t)\cos(2\pi nf_0t)dt$
    • $B_n=\frac{2}{T}\int^T_0x(t)\sin(2\pi nf_0t)dt$
    • $P=\frac{1}{4}A_0^2+\frac{1}{2}\sum(A_i^2+B_i^2)$
  • 方波信号:$s(t)=\frac{4A}{\pi}\sum_{2\not\vert k}\frac{\sin(2\pi kft)}{k}$
  • 频谱 spectrum: 所包含的频率范围
  • 绝对带宽 absolute bandwidth: 频谱的宽度
  • 有效带宽(3dB带宽):绝大部分能量集中的相当窄的频带范围 $f_1-f_0$
  • 数据率:单位时间内在数据传输系统设备之间传送的比特数 $R_b=\frac{1}{T_b}=\frac{2}{T}$
    • $T_b$:发送1比特的时间
    • 其它项不变,带宽加倍数据率加倍
    • 给定带宽可以根据接收器在噪声和其它损伤的情况下鉴别能力来支持不同的数据率
  • 误码率

传输损伤

衰减 (attenuation)

  • 强度衰减
    • 放大器(模拟) amplifier
    • 转发器(数字) repeater
  • 衰减失真(模拟)
    • 频率越高,衰减越严重(传输损耗越大,覆盖范围越小,绕射能力越弱,但高频资源丰富)
    • 衰减均衡技术
    • 放大器:放大高频倍数更高

失真 (distortion)

  • 衰减失真
  • 时延失真
    • 靠近中心频率的地方其传播速度趋于最快
    • 码间串扰(数字)

噪声 (noise)

噪声是传输系统性能的主要制约因素

  • 信噪比 $\text{SNR}_{dB}=10\lg\frac{S}{N}=10\lg(\text{SNR})$
    • $S$:信号功率
  • 热噪声 (卫星通信)
    • 白噪声:均匀分布
    • $N_0=kT$(W/Hz)
    • $N=kTB=-228.6dBW+10\lg T+10\lg B$
  • 互调噪声
    • 不同频率的信号共享同一传输媒介,产生额外信号
  • 串扰
    • 载有多路信号的相邻传输媒介发生点耦合
  • 冲击噪声

数据率与带宽

  • 信道容量:某一通信通道(信道)上所能达到的最大数据传输速率(口语中的带宽)
    • 波特率:信号每秒钟电平变化的次数
    • 比特率:Bit rate = Baud rate $\log_2M$

Nyquist Bandwidth(奈奎斯特带宽)

  • 无噪声信道
  • $C=2B\log_2M$
    • $B$ 带宽, $C$ 信道容量,$M$ 信号电平数
  • 采样定理:如果信号是带限的,并且采样频率大于最高频率的2倍, 那么,原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来

Shannon 容量公式

  • 热噪声环境下
  • 高斯信道噪声功率与带宽成正比:$N=N_0B$
    • $N_0$: 每赫兹噪声功率密度之比
  • 无误码容量 $C=B\log_2(1+\text{SNR})=B\log_2(1+\frac{S}{N_0B})$
    • 带宽B增大时,噪声功率也随之增大
    • $B$ 趋于无穷大时,信道容量趋于 $\frac{S}{N_0}\log_2e$
    • 增加 $S$,系统非线性程度提高,导致互调噪声
  • 频谱效率(带宽效率)$\frac{C}{B}$($\frac{R}{B_T}$)

$\frac{E_b}{N_0}$

  • $E_b=\frac{S}{R}$: 每比特信息的能量
  • $\frac{E_b}{N_0}=\frac{S}{N}\frac{B}{R}=\frac{S}{kTR}$

信号强度单位:分贝

  • 分贝:表示增益、损耗等值
    • 对数单位
    • 相对值:两个信号功率的比值的度量
  • 分贝增益功率:$G_{dB}=10\lg\frac{P_{out}}{P_{in}}$
    • 正:功率增加
    • 负:功率损失 $L_{dB}=10\lg\frac{P_{in}}{P_{out}}$
    • $3dB$:两倍功率
  • 电压差值:$L_{dB}=20\lg\frac{V_{in}}{V_{out}}$
  • 分贝化的绝对值
    • 分贝瓦 dBW: $P dBW=10\lg\frac{P}{1W}, 0dBW=1W$
    • dBmW: $30dBmW = 0dBW, 0dBmW=1mW$
    • dBmV

传输媒介

  • 信道指标:数据率,传输距离
  • 电磁波频谱:($10^2$)ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,$10^{12}$,$10^{13}$,$10^{14}$,可见光

导向传输媒介

  • guided media:电磁波在导线引导下沿某一物理路径前进
  • 点对点:导向媒体在两个设备之间提供了一条仅被这两个设备共享的直连链路

双绞线

  • 扭绞结构
  • 模拟传输
    • 放大器:5km
    • 有限带宽:1MHz
  • 数字传输
    • 转发器:2km
    • 数据率:100Mbps
      • 短距离:1Gbps
    • 随频率增高迅速增加
    • 易受信号反射或回波损耗影响
  • UTP 非屏蔽双绞线
  • STP 屏蔽双绞线
    • 金属箔双绞线 FTP
    • 屏蔽的双绞线 F/UTP
    • 完全屏蔽的双绞线 S/FTP
  • 568-C标准 与 ISO/IEC 11801标准
    • 5e/D
    • 6/E
    • 6A/E$_{A}$
    • 7/F
    • 7A/F$_{A}$
  • 插入损耗(insertion loss, 模拟)
    • 从发送系统到接受系统链路上的衰减
    • 频率的递增函数
  • 近端串扰(near end crosstalk, NEXT)
    • 从一对导体到另一对导体上的信号耦合,越大越好
    • 端现象
  • 衰耗串扰比: $\text{ACR}_{dB}=\text{NEXT}_{dB}-A_{dB}$
    • $\text{ACR}>0\Rightarrow P_r>P_c$

同轴电缆

光纤 Optical Fiber

  • 优点
    • 容量大:100M-100Gbps/km
    • 体积小
    • 衰减小
    • 电磁隔离
    • 转发器间隔更远
  • 分类
    • 多模突变:入射角平缓的光束被反射并沿着纤维向前转播,其他被周围的物质吸收
    • 多模渐变:中心较高的折射率使得光线沿轴线前进的速度比靠近覆层的慢,光束呈现螺旋状
    • 单模:仅有一个角度能够通过传输纤维
  • 光纤模块
    • GBIC 接 LC光纤连接器
    • SFP 接 SC光纤连接器

无导向媒介

  • unguided media
  • 真空、空气、海水

天线

  • 发射电磁能量和接受电磁能量的电导体
  • 双向通行中,同一个天线可以同时收发
  • 天线种类
    • 各向同性天线
    • 抛物线反射天线
  • 天线增益:$G_{dB}=10\lg(\frac{P_2}{P_1})$, $P_1$ 为定向天线发射功率,$P_2$ 为参考天线功率
  • 有效面积:$G=\frac{4\pi A_e}{\lambda^2}$
    • $A_e=0.56A$

无线传播

  • 地波 ~2MHz
  • 天波 2MHz~30MHz
  • 视距传播 30MHz~
    • 损伤
      • 折射
      • 自由空间耗损
      • 大气吸收
      • 多径
    • 视距:$d=3.57\sqrt{Kh}$
    • 最大距离:$3.57(\sqrt{Kh_1}+\sqrt{Kh_2})km$
  • 射频区域 30MHz-1GHz
  • 微波区域 1GHz-40GHz
    • 自由空间损耗模型:$L=10\lg(\frac{4\pi d}{\lambda})^2\text{dB}$
      • $d$: 天线间传播距离
      • $\lambda$: 载波波长
      • 考虑天线增益:$L=10\lg(\frac{4\pi d}{\lambda})^2\frac{1}{G_1G_2}\text{ dBW}$
    • 损耗公式:$L_{dB}=-20\lg(f)+20\lg(d)-10\lg(A_tA_r)+169.54\text{dB}$
  • 红外线 $310^{11}$Hz-$210^{14}$Hz

数据链路层设备

  • 物理层接口
    • 串行接口标准
      • RS-232
        • DB-25
        • DB-9
      • RS-422
      • RS-485
  • 网卡
    • 有线网卡:以太网卡
    • 无限网卡:WLAN网卡

信号编码技术

  • 基带信号:信源发出的没有经过调制,低频信号
  • 载波信号:调制到高频的信号

数字基带信号(数数)

Data Element Signal Element
Data rate $R$ Signal rate $D=\frac{R}{L}=\frac{R}{\log_2M}$
$T_b=\frac{1}{R}$ 调制速率
比特差错率 BER
  • 接受端需求
    • 每比特定时关系
    • 每比特信号电平
  • BER 影响
    • 信噪比
    • 数据率
    • 带宽
    • 编码机制
编码术语
单极性 正、零电平
双极性 正、负电平
归零 信号电压在码元终止前回到零电平
双相位 单码用多相位表示
差分波形 利用相邻码元的电平跳变和不变来表示消息代码
多电平波形
  • 码型选择
    • 信号谱频:
      • 传输功率集中在带宽中心位置
      • 减少高频
      • 去掉直流:0,1等概率则无直流分量
    • 时钟同步
      • 定时信息
    • 差错检测
    • 信号干扰
    • 降低通信延迟和成本

不归零码 NRZ

  • NRZ-L:双极性不归零
  • NRZI: 双极性不归零差分
  • 缺点
    • 包含直流成分
    • 缺乏同步能力

多电平二进制

  • 双极性 AMI: 没有信号为0,1为正负脉冲交替
  • 伪三进制码:没有信号为1,0为正负脉冲交替
  • nBmB 码:低速情况解决同步问题
  • $B_T=0.5(1+r)D$

扰码技术

  • HDB3: 高密度双极性3零
    • AMI 为基础
    • 连续的0超过3个时,每四个变为一组为 B00V,V为破坏脉冲,B为调节脉冲
    • V与前一个相邻的非零脉冲极性相同,V码之间极性必须交替,B任意取值以满足V的要求
  • B8ZA: 双极性8零替换
    • AMI 为基础
    • 全零八位组之前最后一个脉冲电压为正:000+-0-+
    • 全零八位组之前最后一个脉冲电压为负:000-+0+-

双相位

  • 曼切斯特编码:低到高为1,高到低为0
  • 差分曼切斯特

数模转换(调制技术)

  • 载波频率 $f_c$:一种连续的频率,能够被调制或者用来承载另一个信号
  • 带宽 $B_T$
    • (ASK) $B_T=(1+r)R,0<r<1$
    • (FSK) $B_T=2\Delta+(1+r)R$
    • (MFSK) $B_T=\frac{(1+r)M}{\log_2M}R$
    • (MPSK) $B_T=\frac{1+r}{L}R=\frac{1+r}{\log_2M}R$
  • 信噪比:$M$ 越大
    • MASK,MPSK 越大
    • MFSK 越小

ASK: 振幅键控

  • 非相干解调:全波整流器
  • 相干解调:带通滤波器$\rightarrow$相乘器$\rightarrow$低通滤波器$\rightarrow$抽样判决器
    • $A\cos(\omega t)\cos(\omega t)=A-Acos(2\omega t)$
    • $\cos(2\alpha)=cos^2\alpha-sin^2\alpha$
  • 缺点:受噪声影响大
  • MASK: 多进制振幅键控/多电平调制

FSK: 频移键控

  • BFSK
  • MFSK
    • $T_s=LT$

PSK: 相移键控

  • BPSK
  • DPSK
  • QPSK
    • $s(t)=\frac{1}{\sqrt{2}}I(t)\cos(2\pi f_ct)-\frac{1}{\sqrt{2}}Q(t)\sin(2\pi f_ct)$
    • $R=\frac{R_{in}}{2}$
  • OQPSK
    • $s(t)=\frac{1}{\sqrt{2}}I(t)\cos(2\pi f_ct)-\frac{1}{\sqrt{2}}Q(t-T_b)\sin(2\pi f_ct)$
    • 叠加后信号相位变化不超过90度

QAM 正交调幅

  • 调幅+调相:$s(t)=d_1(t)\cos2\pi f_ct+d_2(t)\sin 2\pi f_ct$

模数转换

PCM 脉码调制

  • PAM 采样器:时值离散,振幅连续
  • 量化器:时值离散,振幅离散
  • 量化误差:6.02n+1.76 dB
  • 扩压函数:防止振幅较低的地方失真较严重

DM 增量调制

  • 在每个采样周期上升或下降一个步长值

模模转换(模拟调制)

AM 调幅

  • 载波信号 $S_{AM}(t)=(A_0+m(t)) cos(w_ct)$
    • $m(t)$ 调制信号
  • DSB 双边带
  • SSB 单边带

PM/FM 角度调制

  • PM: $S_{PM}(t)=A\cos(w_ct+n_pm(t))$
  • FM: $S_{FM}(t)=A\cos(w_ct+n_f\int m(\tau)d\tau)$

差错检验和纠正

差错类型

  • 单比特差错
  • 突发差错
概率值
$P_b$ BER, 接受到一个差错比特的概率
$P_1$ 无比特差错帧到达概率
$P_2$ 某种差错检测算法下,含有一个或多个未检测到的比特差错的帧的到达概率
$P_3$ 某种差错检测算法下,含有一个或多个且没有未检测到的比特差错的帧的到达概率

差错检测

奇偶检验

  • 两个比特错误无法检测
  • 同步传输:偶校验
  • 异步传输:奇校验

二维奇偶检验

  • $i+j+1$ 个
  • 矩形四个错误无法检测

因特网检验和

  • 发送方计算检验位
    • 将两个数字视为无符号二进制整数相加
    • 如果最左边有进位比特,则和再加1
  • 接收方验证
    • 加上检验位后应全1

循环冗余检验 (CRC,Cyclic Redundancy Check)

  • 发送的数据:$T[D(k)|F(n-k)]$
    • $D$ 数据
    • $F$ 检验序列
    • $P(n-k+1)$ 除数
    • $T=2^{n-k}D+F\equiv0\pmod{P}$
  • $F=2^{n-k}D\bmod P$
    • 模2运算
    • 多项式表示
      • $11001 \rightarrow X^4+X^3+1$
    • 寄存器
      • Galois 域除法器

差错纠正

  • 汉明距离 $d(v_1,v_2)$

差错检测+差错重传

  • 无线链路:高比特差错率导致大量重传
  • 卫星链路: 长传播时延导致效率低下

前向纠错 (FEC)

  • 差错类型
    • 无差错
    • 可检测,可纠正差错
    • 可检测,不可纠正之差错
    • 不可检测之差错
  • 见《代数编码》

数据链路控制协议

  • $d$: 链路长度
  • $v$: 传播速度
  • $L$: 帧长度(比特)
  • $B=RD$: 链路比特长度
  • $B’$: 链路帧长度
性能指标
传输时间(transmission time) 与帧长度有关, $T=\frac{L}{R}$
传播时间(propagation time) 与链路有关,$D=\frac{d}{v}$
处理时延
排队时延 等待被传输的时间

流量控制

  • 确保发送的数据不会超出接收实体接收数据能力的技术
  • Fragmentation:把大块的数据切分成小数据块传输
    • 接收方缓存有限
    • 重传大小小
    • 避免一个站点长时间占用媒体传输

停止等待流量控制 Stop and Wait

  • (S)Send Data $\rightarrow$ (R)Receive Data & Send ACK $\rightarrow$ (S)Receive ACK & Send Data’
  • $T_F=D+T+D+t_{ack}+t_{proc}=2D+T$
  • $a=\frac{D}{T}=\frac{B}{L}$
  • $U=\frac{T}{T_F}=\frac{1}{1+2a}$

滑动窗口流量控制

参数
滑窗字段大小 $k$
帧编号 $0\sim2^{k}-1$
窗口大小 $W\leq 2^{k}-1$
帧类型
F$_n$ 数据帧,当窗口用完后停止发送
RR$_n$ 已接受到$n-1$的帧,准备接受$n$(双方更新窗口)
RNR$_n$ 已接受到$n-1$的帧,停止接受
捎带 双工时F$_n$捎带确认信息

差错控制

  • ARQ 自动重传请求:将不可靠数据链路变为可靠数据链路
    • 差错检测
    • 肯定确认
    • 超时重传
    • 否认重传
  • $N_r$: the expected number of transmission of a frame

Stop-and-Wait ARQ

  • 帧损伤:(R) Detect and Drop $\rightarrow$ (S) 超时重传
  • 确认损伤:(S) 超时重传 $\rightarrow$ (R) ACK0/ACK1 确认
  • $U=\frac{T}{N_rT_F}=\frac{1-P}{1+2B’}$
  • $N_r=\frac{1}{1-P}$

Go-Back-N ARQ

参数
滑窗字段大小 $k$
帧编号 $0\sim2^{k}-1$
窗口大小 $W\leq 2^{k}-1$
发送方缓存大小 $W$
接受方窗口大小 1
  • 帧损伤:(R) Detect, Drop all Data after i and Send REJi $\rightarrow$ (S) Resend all Data after i
  • RR损伤:超时重传
  • $N_r=\sum_{i=1}^{\infty}f(i)P^{i-1}(1-P)$
    • Each error generates a requirement to retransmit K frames rather than just one frame
    • $f(i)=1+(i-1)K$
    • $N_r=\frac{1-P+KP}{1-P}$
      • $K=2a+1,W\geq(2B’+1)$
      • $K=W,W<(2B’+1)$

Selective Reject ARQ

参数
滑窗字段大小 $k$
帧编号 $0\sim2^{k}-1$
窗口大小 $W\leq 2^{k-1}$
发送方缓存大小 $W$
接受方窗口大小 $W$

ISO 3009, ISO 4335

  • 站点类型
    • 主站 – 负责链路控制操(命令)
    • 从站 – 在主站的控制下操作(响应)
    • 混合站 – 结合了主站和从站的特点
  • 链路设置
    • 非平衡设置:1主多从
    • 平衡设置:2个混合站
  • HDLC数据传送方式
    • NRM 正常响应方式
      • 非平衡设置:Command$\leftrightarrow$Response
    • ABM 异步平衡方式
      • 平衡设置:Command/Response$\leftrightarrow$Command/Response
      • 使用最广泛
    • ARM 异步响应方式
  • 特点
    • 同步传输
    • 传输以帧的形式进行
    • 一个帧格式满足所有数据和控制信息

HDLC 帧结构

Flag Address Control Information FCS Flag
8 8 8/16 variable 16/32 8
  • Flag
    • 01111110 在帧的两端起定界作用
    • 比特填充:帧中每出现五个1后插入附加0
      • 避免帧中间出现01111110导致误判
    • 判断
      • 接收端收到连续五个1
      • if 6th bit is 0, deleted
      • if 6th bit is 1 and 7th bit is 0, accepted as flag
      • if 6th 7th bits are 1, error
  • Address
    • 标识别传输或准备接收这个帧的从站
    • 长度可以扩展
    • 11111111 用于广播
  • Control
    • 开头的1-2比特指明帧类型
      • I-frame
      • S-frame
      • U-frame
    • use of Poll/Final (P/F) bit depends on context
  • FCS (Frame Check Sequence Field)
    • 一般采用16 bit CRC或32 bit CRC

运行方式

  • 初始化:通过6个置位方式命令之一请求初始化
  • 数据传送
  • 拆链:发送一个拆链帧(DISC)宣布连接终止

复用

多个点对点通信共享数据链路容量

频分复用 (Frequency Division Multiplexing)

各路信号$m_i(t)$ $\rightarrow$ (副载波调制器$f_i$ $\rightarrow$ $s_i(t)$ $\rightarrow$ 叠加$\Sigma$)复用器 $\rightarrow$ 复合基带调制信号 $m_b(t)$ $\rightarrow$ 发送器$f_c$ $\rightarrow$ FDM 信号 $s(t)$ $\rightarrow$ (主接收器 $\rightarrow$ 复合基带信号 $\rightarrow$ 带通滤波器$f_i$)分用器 $\rightarrow$ $s_i(t)$ $\rightarrow$ 解调器$f_i$ $\rightarrow$ $m_i(t)$

  • 有效带宽大于被传输的信号的带宽:$B>\sum_{i=1}^nB_i$
  • 串扰
    • 防护频带:未被使用的部分
  • 互调噪声

FDM 机制

  • 基群
    • 带宽:48kHz
    • 话音数量:12
    • 频谱:60-108kHz
  • 超群,主群

AT&T

ITU-T

波分复用 WDM

  • 不同频率光路在同一光纤上传输

正交频分复用 (OFDM,多载波调制)

  • 副载波正交
    • 实际可用 IFFT -> FFT
    • 循环前缀
  • 一个数据源
  • $R$ bps, 每个比特持续时间为 $\frac{1}{R}$, 通过 OFDM,每个比特的持续时间为 $\frac{N}{R}$
  • 优点
    • 衰减仅影响部分副载波
    • 克服码间干扰

同步时分复用 (Synchronous Time Division Mutliplexing)

各路信号$m_i(t)$ $\rightarrow$ 缓存 $\rightarrow$ $m_i(t)$ $\rightarrow$ 扫描操作 $\rightarrow$ TDM 流 $m_c(t)$ $\rightarrow$ 调制解调器 $\rightarrow$ $s(t)$ $\rightarrow$ 调制解调器 $\rightarrow$ TDM 流 $\rightarrow$ 扫描操作 $\rightarrow$ $m_i(t)$ $\rightarrow$ 缓存 $\rightarrow$ $m_i(t)$

  • 传输媒体能够达到的数据率超出被传输的数字信号的数据率
  • 同步:数据被组织成帧,时隙固定
  • 流量控制:复用线路上数据率固定,无信息则发送空时隙
  • 差错控制:基于单信道的差错控制
  • 组帧
    • 不需要为 TDM 帧定界
    • 需要提供源和接受端的同步机制
      • 增加数字组帧技术:为每个 TDM 帧添加控制比特(如101010)
  • 脉冲填充:同步不同的数据源

TDM 多路电话通信系统

PDH 准同步数字体系

  • AT&T: T体系 PCM24路数字载波系统
    • 基群速率:T1速率 1.544Mbps
    • DS-n
    • 北美,日本
  • ITU-T: E体系 PCM30/32路数字载波系统
    • 基群速率:E1速率 2.048Mbps
    • 欧洲,中国,国际传输

SDH 同步数字体系

  • SONET(同步光纤网卡)
    • OC-1/STS-1 51.84Mbps
    • OC-3/STS-3 155.52Mbps
  • ITU-T
    • STM-1: 155.52Mbps

统计时分复用 (Statistical Time Division Multiplexing)

  • 根据需求分配时隙:复用器扫描输入缓存,搜集数据直到帧被填满
  • 忙期需要输入缓存,解决时隙浪费现象

电缆调制解调器(cable modem)

通过有线电视网访问因特网和其它在线服务的设备

  • 6MHz 专用信道
  • 使用统计时分复用
北美划分 频谱
用户到网络的上行 5-40MHz
电视节目传播下行 50-550MHz
网络到用户的下行 550-750MHz

非对称数字用户线路 ADSL(Asymmetraical Digital Subscriber Line)

使用已经安装好的双绞线(电话线)

频分复用
传统电话业务 POTS 0-20kHz
上行流 25-200kHz
下行流 250-1000kHz
  • 上下行流内部使用 FDM
  • 回声抵消:上行流与下行流重叠
    • 频率越高,衰减越大,更多下行流的频率小
    • 改变上行流容量时具有灵活性
    • 需要两端拥有回声抵消逻辑
  • 可达 5.5km
  • 离散多音调 DMT(Discrete Multitone)
    • 不同频率使用多个载波信号
    • 根据 $\text{SNR}$ 分配比特数
  • 宽带接入配置
    • 分离器$\rightarrow$(部分$\rightarrow$电话)调制解调器G.DMT$\rightarrow$(部分$\rightarrow$机顶盒)$\rightarrow$无线调制解调器/路由器
xDSL 属性 最低速率(bps)
ADSL 非对称,模拟 1.5M(down)0.16(up)
HDSL 对称,数字 1.544M 高数据率数字用户线路,两根双绞线
SDSL 对称,数字 1.544M 单线数字用户线路
VDSL 非对称,模拟 13M(down)1.5(up) 甚高数据率数字用户线路

多信道接入

共享多个发送/接收战斗之间的信道容量,为各站点分配频带或时隙序列,不通过复用器

  • 频分双工(FDD, Frequency-Division Duplex)
  • 时分双工(TDD)/时间压缩复用(TCM)
  • 频分多址(FDMA, Frequency-Division Multiple Address)
  • 时分多址(TDMA)
  • 正交频分多址 (OFDMA)
  • 单载波频分多址 (SC-FDMA)

交换

名词 解释
站点(station) 需要通信的终端设备
结点(node) 提供通信功能的交换设备
通信网络 结点集合
QoS quality of Service
  • 分组交换:Best Effort
    • Paket Drop
    • Congestion
    • delay 方差高
    • 解决方法:多发选收

电路交换

  • 两个站点间有一条专用的通信通路
    • 电路建立
      • 通路中的每一对结点必须为该信道保留容量
      • 网络连接透明
    • 数据传输
    • 电路断连

应用

  • 公共电话网 PSTN
  • 专用小交换机 PBX
  • 专线网路

电路交换结点

  • 数字交换机
    • 空分交换
    • 时分交换
  • 网络接口
  • 控制单元
    • 建立连接
    • 维护连接
    • 拆除连接

空分交换

信号通路之间在物理上被空间分隔的交换机

  • Crossbar Switch Fabric
    • 交叉点数目按站点平方增加
    • 交叉点丧失将阻塞连接
    • 交叉点利用不充分
    • 无阻塞:an unused input on an ingress switch can always be connected to an unused output on an egress switch, without having to re-arrange existing calls
  • Clos Switch(3-stage space division switch)
    • 交叉点数量减少:三级交换机 $N$ 输入线路和输出线路,第一级交叉板输入线 $n$,二级交叉板数量为 $k$
      • 交叉点数量为:$2Nk+k(\frac{N}{n})^2$
    • 可靠性:多条通路连接两个端点
    • 无阻塞条件:$k\geq 2n-1$
    • 可 rearrange 无阻塞:$k\geq n$
  • Banyan Switch
    • $N/2\log_2N$
    • 解决阻塞:1.多平面 2.排序电路

时分交换

  • 时隙交换(Time-Slot Interchange, TSI):交换 TDM 数据
    • 缓存时隙,对换时隙
    • 时延较大
  • 时间复用交换(Time-Multiplexed Switching, TMS)
    • 使用多个 TSI
    • 不用 TDM 流间数据交换需要空分

软交换体系结构(Software Defined Network)

  • 用软件实现交换
  • 物理交换:媒体网关(MG)
  • 呼叫处理逻辑:媒体网关控制器(MGC)

分组交换

数据报(datagram)

  • each packet is treated independently with no reference to previous packets
  • no call setup phase
  • flexible
  • reliable

虚电路(virtual circuit)

  • a preplanned route is established
  • provide sequencing and error control
  • forward quickly

Packet Size and Transmission Time

  • 越小则首部约多,但多个节点可以并行处理
交换方式 建立时间 实际传输的数据 传输时间 节点延迟 总时间
电路交换 $S$ $L$ $\frac{L}{B}$ $DN$ $S+DN+\frac{L}{B}$
数据报交换 $0$ $P\lceil{\frac{L}{P-H}}\rceil$ $P\lceil{\frac{L}{P-H}}\rceil/B$ $DN$ $DN+P\lceil{\frac{L}{P-H}}\rceil/B$
虚电路交换 $S$ $P\lceil{\frac{L}{P-H}}\rceil$ $P\lceil{\frac{L}{P-H}}\rceil/B$ $DN$ $S+DN+P\lceil{\frac{L}{P-H}}\rceil/B$

ATM 异步传递方式

  • VCC: 虚通路连接,类似虚电路,速率可变,全双工,长度固定
  • VPC: 虚通道连接,一群具有相同端点的 VCC
  • 一个物理传输通道中可包含多个虚通道
  • VPI: 虚通道标识符
  • VCI:虚通路标识符

蜂窝无线网络

蜂窝(cell)

  • Area divided into cells
    • 约 6.5km - 13km
    • 每个蜂窝有自己的天线
      • 低功率发送器:~100W
    • 每个蜂窝分配一个频带
      • 相邻蜂窝指派频率不同以防止干扰
    • 每个蜂窝分配一个基站提供服务
      • 传输功率控制:既可以使通信使用给定的频率,又要限制该功率逃逸到邻近蜂窝
  • 六边形
    • Distance from center to vertex equals to length
    • $d=\sqrt{3}R$
    • $R$ 为其外接圆半径
  • 频率重用
    • 频率总数为 $K$(通常指派10-50个频率)
      • 每个蜂窝有$\frac{K}{N}$个频率
    • 重用系数 $N$:重复模式中的蜂窝数
      • 六边形中,$N=I^2+J^2+IJ,I,J\in\mathbb{N}$
    • $D$: 使用相同频率的蜂窝(即同波道)中心间最小距离
      • $\frac{D}{d}=\sqrt{N}$
  • 增大容量
    • 添加新信道
    • 频率借用
    • 蜂窝分裂
      • 最小一般 1.5km
      • 导致切换(handoff)增加
    • 蜂窝扇区化
    • 微蜂窝

蜂窝系统

  • 控制通道:交换建立与维持呼叫的信息
  • 业务通道:承载用户间的话语和数据连接
  • 典型呼叫步骤
功能 描述
移动单元初始化 定期扫描, 选择使用最强的基站建立控制信道, 并与控制该蜂窝的MTSO握手, 之后监听是否有寻呼
移动台发起的呼叫 移动单元通过在已选的建立信道上, 若信道空闲, 发送被叫单元的号码来发起呼叫
寻呼 MTSO根据被叫号码, 向某些基站发送寻呼信息
呼叫接收 被叫单元识别寻呼, 向基站发通知 -> 基站向MTSO发通知 -> MTSO建立电路, 选两个业务信道, 通知两个基站 -> 基站通知单元
呼叫进行中 话音或数据信号: 单元 <-> 基站 <-> MTSO <-> 基站 <-> 单元
切换 移动单元跨蜂窝移动, 业务信道切换到指派给新蜂窝的业务信道, 不警告用户
呼叫终止 用户挂机, MTSO得到通知, 释放业务信道
呼叫阻塞 没有空闲业务信道, 将重试数次, 耗尽次数返回忙音
呼叫掉线 信号强度低于最小信号强度, MTSO将得到通知, 释放信道
连接固定用户 MTSO与公用电话交换网络连接
连接远程用户 MTSO通过电话网或专用线路, 与远程MTSO连接, 并为二者用户建立连接

移动无线电传播效应

  • 信号强度
    • 太强:同信道干扰
    • 太弱:不足以维持连接
  • 传播机制
    • 反射:物体表面大于波长
    • 衍射:物体边缘大于波长
    • 散射:物体大小小于波长
  • 衰弱
    • 多径效应:物体表面大于波长
      • LOS + 多径脉冲
      • 信噪比下降
      • 码间干扰(ISI)
      • 补偿机制
        • 前向纠错:发送总比特数为接受比特数2-3倍
        • 自适应均衡
        • 分集
类型
快衰弱 振幅的变化高达20一30dB这种类型的迅速衰落变化
慢衰弱 接收功率除了出现快速波动之外, 接收到的平均功率水平也会变化
平坦衰弱 接收信号的所有频率成分的波动是同时的且成相同比例的
选择性衰弱 对一个无线电信号的不同頻谱成分的影响是不同的
  • Hata模型:$L_{dB}=69.55+26.16\log f_c-13.82\log h_t-A(h_r)+(44.9-6.55\log h_t)\log d$

五代蜂窝网络

技术 1G 2G 2.5G 3G(IMT-2000) 3.9G 4G(IMT-Advanced) 5G(IMT-2020)
设计时间 1970 1980 1985 1985 2000
应用时间 1984 1991 2012 1999 2008 2012
服务 Voice SMS Inernet 大容量分组数据化(Video) 完全基于IP
调制频率 150MHz+ 800-1900MHz 1900-2200MHz
(静态)数据率 1.9kbps 14.4kbps 144kbps 384kbps (3.1Mbps) 200Mbps
复用技术 FDMA TDMA,CDMA CDMA,TDMA OFDMA,SC-FDMA
核心网络 PSTN PSTN PSTN, 分组网络 IP 干线网 IP 干线网
技术规格 AMPS(AT&T) GSM(3GGP) GPRS(114kps) WCDMA(IMT-DS,联通,欧洲) LTE(3GPP, 299.6Mbps) LTE-A(3GPP)
NMT(北欧) PCS(IS-95,2.5G) EDGE(2.75G, 268kbps) CDMA2000(IMT-MC,电信,美国) LTE-TDD(TD-LTE,中国) WirelessMAN-Advanced(IEEE 802.16)
TD-SCDMA(IMT-TC,移动,中国) WiMAX(IEEE 802.16)
HSPA(3.5G, 14Mbps) HSPA+(3.75G, 168Mbps)
优点 数字业务,加密 带宽限制在5MHz内
差错检验与纠正(交织) 码片速率3Mcps,多速率 MIMO天线 MIMO天线
  • LTE-Advanced 体系结构
    • 核心:演进型NodeB(eNodeB)
      • 与用户设备(UB)接口基于OFDMA
      • 没有使用 RNC(无线网络控制器),而是自己的控制功能
    • 中继节点(RN)
      • DL频带:下行
      • UP频带:上行
      • 既充当基站,又充当UB
    • 演进型分组核心网(EPC)
      • 分组交换
      • 移动管理实体(MME)
      • 服务网关(SGW)
      • 分组数据网络网关(PGW)
      • 归属用户服务器(HSS)
    • 毫微微蜂窝(femtocell)
    • 载波聚合
      • 带内连续: 相邻的信道被看作被放大的信道
      • 带内不连续: 多个分量载波CC在带内不连续, 需要多个收发器
      • 带间不连续: 多个收发器

扩频

在扩频码(伪随机数)下调制使带宽增加

Spread Spectrum

Frequency Hopping(FHSS)

  • signal is broadcast over seemingly random series of frequencies
  • receiver hops between frequencies in sync with transmitter
  • Slow $T_{\text{shift}}\geq T_{\text{symbol}}$
  • Fast $T_{\text{shift}}< T_{\text{symbol}}$
  • 信号带宽远大于数据信号带宽
  • 提高抗人为干扰能力

直接序列扩频(DSSS)

  • each bit is represented by multiple bits using a spreading code

Code Division Multiple Access

  • break each bit into k chips according to a fixed chipping code specific to each user
  • 用户码
  • 码片率:新信道码片数据率
  • 接收器解码:用相同用户码做乘积,若为 $\pm N$ 则接受,否则拒绝

MIMO 天线

源数据划分为 n 个子流对应 n 个发送天线

  • 空间分集:同样数据编码后多部天线同时传输;发射功率与发射天线数量成正比
  • 空间复用:源数据流在发送天线间分配;信道容量增幅与发送器和接收器有效天线较少的那一侧天线数成正比
  • MU-MIMO(多用户MIMO)
    • 上行链路多址接入信道(MIMO-MAC)
    • 下行链路广播信道(MIMO-BC)