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计算机网络概论
3通信介质网与数字通信技术
3.1前言
在第1章中我们曾谈到,OSI/RM的物理层是涉及二进制位流的传输规程或接口问题的协议层。
尽管物理层接口和协议与物理通信介质密切相关,但通信介质本身并未包括在物理层的范围之内(见第1章图1.1物理层之下的粗线)。
而事实上许多物理层的通信协议或接口与物理通信介质密切相关。
这一点在第6章中讨论的局域网技术中表现得尤为突出,例如100Mbps以太网不仅使用光纤和双绞线的物理层有很大的差异,即使都使用双绞线,如果采用的线类不同,其物理层协议也有较大的差别(100BASE-T2和100BASE-TX分别使用两对3类和5类无屏蔽双绞线(UTP)传输100Mbps速率的信号,而100BASE-T4却采用4对3类UTP来完成)。
另一方面,物理层功能的实现总离不开某种数字通信手段,但是许多物理标准除引用某些通信技术标准外很少涉及数字通信技术本身的问题,在传统的网络技术书籍中涉及这方面的内容也很少。
这就需要学习计算机网络的人通过专门数据通信技术课程来弥补。
但是多数的数据通信课程是针对通信专业而开设的,内容过于广泛,而对于计算机网络关系密切的通信技术又强调不够,因此,客观上使学习网络课程时较难将二者结合起来。
出于上述两方面的考虑,笔者在本书中在深入按照OSI/RM分层原则讨论各类协议之前,用一章专门讨论与物理介质和相关数字通信技术的内容,以便为后续讨论涉及相关问题时做准备。
通信介质与通信技术本身就是一个范围相当广泛的领域,内容也相对独立,因此作为单独的一章来讨论也较为合适。
数字通信技术内容相当丰富,而且与数学紧密相关,但限于篇幅,本章不得不在介绍重要结论的过程中,忍痛删去许多复杂的数学推导过程。
需要更深入地了解数字通信技术时,读者可进一步去阅读相关书籍和本章推荐有关参考书的相应章节。
笔者希望通过本章的概要介绍,读者能对与网络有关的重要的通信问题有一个基本的了解。
本章3.2节对物理通信介质的传输特性、传输介质分类、重要电气参数以及部分重要物理通信器件和设备等进行了较为详细的讨论。
鉴于光纤通信在现代高速通信中扮演了越来越重要的角色,因此,本章加重了讨论有关光纤通信介质与设备的篇幅。
3.3节对数字通信的基本概念与技术,如:
信道及其分类、两类信道的数学模型、信道的噪声干扰问题、信道的容量等等作了必要的讨论。
针对在许多网络文献中,有关数据吞吐率、信道容量和带宽这3个概念经常被混用或误用的情况,本章对有关概念的异同进行了简要的辨析,希望能有助于读者廓清现有文献中名词的混用造成概念上的混淆。
3.4节和3.5节分别对数字基带传输技术和数字调制技术这两类数字通信技术作了扼要的介绍,为下一章和第6章讨论物理层接口做准备。
而文献中又常常把是否采用了调制解调器作为划分基带传输与频带传输的原则,容易引起读者的困惑和概念上的混淆,因此,本章也对有关问题进行了探讨。
3.6节讨论数字通信中十分重要的技术之一的编码技术,它是第6章不同速率的物理层技术的重要基础。
3.7节讨论信道复用技术,它在高速干线的通信中占有十分重要的地位。
3.8节对本章的要点作一小结。
3.2物理通信介质网
3.2.1概述
物理通信介质从广义上讲,可分为有线通信介质与无线通信介质。
通常无线通信可以说是既无介质又无线的通信,因为,除个别情况外,如:
短波通信利用大气电离层反射延长传输距离,多数无线通信技术并不依赖任何介质,电磁波在真空中传播效率反而更高。
本节主要讨论有线通信的常用物理介质线路及必要的相关器件和设备。
有线通信介质大体可分为架空明线、对称电缆、同轴电缆和光缆。
明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。
与电缆相比,它的优点是传输损耗低。
但它易受气候和天气的影响,并且对外界噪声干扰较敏感。
目前已逐渐被电缆所代替。
对称电缆是在同一护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。
导线材料为铝或铜,直径为0.4~1.4mm。
为了减小各线对间的相互干扰,每一对线都拧成纽绞状。
由于其结构上的特点,对称电缆的传输损耗比明线大得多,但其传输特性较稳定。
单根同轴电缆由一对相互绝缘同心导体组成,外导体是圆柱形空管或金属丝网,内导体为实心金属线。
二导体间用塑料或空气为绝缘材料。
用空气绝缘时,隔一定距离就需要用绝缘子支撑定位。
数个单根同轴电缆可能装在一个大护套内组成多芯同轴电缆,有的电缆内可能还装入多个双绞线对或四芯线组,作为控制信号传输线。
由于同轴电缆的外导体是接地的,对内芯起到屏蔽作用,故抗外界噪声能力较强。
表3.1以传输话路为例,列出上述3类介质的重要性能特点。
传输数字信息时,采用的传输技术不同或传输速率不同,对传输距离限制也不同。
表3.1三类通信介质重要性能比较
通信介质类型
能支持通话路数
频率范围(kHz)
增音段长度(km)
架空明线
1+3
0.3~27
300
架空明线
1+3+12
0.3~150
80~120
对称电缆
24
12~108
35
对称电缆
60
12~252
12~18
小同轴电缆
300
60~1300
8
小同轴电缆
960
60~4100
4
中同轴电缆
1800
300~9000
6
中同轴电缆
2700
300~12000
4.5
中同轴电缆
10800
300~60000
1.5
光纤又称光导纤维,是一种能提供极大传输容量的介质。
由于其损耗低、频带宽(“太”级赫兹,即1012Hz)、质量轻、不怕腐蚀、节省有色金属和不受电磁干扰等优点,在通信中受到越来越多的重视。
本章将在3.2.5节中对光纤通信有关问题做专门的讨论。
仅有物理通信介质,还不能形成物理介质网,还需要与所采用的通信技术相关的光电器件和接插件才能共同组成物理通信介质网。
从这种意义上讲,物理通信介质网也可以看作是OSI/RM中物理层的“介质有关子层”(MediaDependantSub-layer)。
3.2.2电话用户线(SubscriberLine)
3.2.2.1通信介质
电话网是为传送模拟话音信号而设计的传输网。
早期全部采用架空明线和对称电缆(或称铜芯双绞线)传输,后来局间干线采用数字通信技术后,局间通信介质改为同轴电缆、光纤或“无线介质”(微波或卫星信道);但从交换局到电话用户之间的用户线仍以双绞线为主,在我国部分农村地区由于位置分散,因架空明线增音段距离较长,还保留了部分架空明线。
为适应话音的频率范围,用户线路上通过带通滤波器将话路的通频带限制为50Hz~3.4kHz,且通话方式为半双工。
为了避免讲话人的声音在远端反射的回音影响讲话人,在距离超过2000km的长话通信系统中设置回声抑制器。
利用电话用户线进行数据通信时,电话系统的回声抑制器反转时间会限制半双工方式的数据传输速率,因此需要在检测到调制载频时,自动停止回声抑制器的工作。
此外,由于其通频带高端频率仅为3.4kHz,限制了电话线上调制解调器使用的载频(电话线上载频通常选择在1~2kHz范围),要进一步提高载波频率,必须在进行数据通信时使线路上的带通滤波器停止工作。
根据传输距离的不同,话音传输线路常采用不同线径的双绞铜线,如:
26号线(φ0.41mm)、24号线(φ0.5mm)、19号线(φ0.82mm)等等。
在70C,26号线的每千ft电阻为40Ω;19号线的每千ft电阻为10Ω。
表3.2为常用电话线的性能参数简表。
表3.2常用电话线缆的电参数(800Hz,20C)
纽绞形式
线径(mm)
电阻
(Ω/km)
电感
(mH/km)
电容
(μF/km)
电导
(μs/km)
衰减
(dB/km)
对绞
0.4
296.0
0.7
0.050
0.9
1.67
0.5
190.0
0.7
0.050
0.9
1.33
0.6
131.6
0.7
0.039
0.9
0.973
0.7
96.0
0.7
0.04
0.9
0.834
星绞
0.8
72.2
0.7
0.033
0.69
0.669
0.9
57.0
0.7
0.0335
0.69
0.582
1.0
47.0
0.7
0.034
0.69
0.530
1.2
32.8
0.7
0.0345
0.71
0.434
1.4
23.8
0.6
0.0355
0.73
0.365
3.2.2.2介质连接器
常用的电话用户线的接插件称为RJ-11插头/座(RJ,即RegisteredJack),其上的4芯引线中,中间两根用于电话信号传输。
但在现代建筑中由于采用综合布线系统,为了使电话插座与局域网的信息插座能互换,常统一采用8芯的RJ-45插座(详见下一节)。
3.2.3结构化布线系统的双绞线
3.2.3.1介质
早期的“以太网”以同轴电缆为通信介质,其总线型拓扑结构使施工时只能采用串接方式进行,施工较为困难,网络结构(站点数量及相互位置关系)也较难改变。
后来借用了电话网的结构化布线思想,改用双绞线。
由于结构化布线能与大楼建设同步进行,布线后信息点间关系又可在配线架上灵活地调整,加上在价格和可靠性方面的优势,结构化布线系统已经成为建筑物内局域网通信介质的基本支撑。
结构化布线系统(SDS,即StructuredDistributedSystem)又称楼宇布线系统(PDS,即PremisesDistributionSystem),由于它针对建筑和建筑群的特点,综合考虑了电话网与局域网的布线需要,故有人也称之为“综合布线系统”。
其他系统,如部分楼宇机电设备的控制或安全防范系统,也常借用结构化布线的思想,因此有人也建议把大楼内的所有布线系统一起考虑,形成更大范围内的“综合布线”。
在实践中也有过类似的尝试,例如用双绞线传输电视节目,但并不很成功。
因此,目前的综合布线系统仍然仅限于话音与计算机网络的布线。
如图3.1所示,PDS由下面6个子系统组成:
①建筑群子系统——又称楼间干线子系统,由楼管理间与设备间(网络与电话机房)内的配线设备之间的连线(光缆或大对数电缆)组成。
②垂直子系统——楼内连接各楼层的垂直干线,有时也简称干线子系统。
③水平子系统——从楼层管理间到工作区的信息插座间的设备与层内水平线路的总称。
④工作区子系统——从信息插座到终端间连线与插头的总称。
⑤设备间子系统——中心机房的配线设备与跳线的总称。
⑥管理子系统——楼层用跳接设备与跳接线的总称,通常每层1个,对小系统也可数层1个。
图3.1中仅画了1栋楼的2层,也未画出楼间的建筑群子系统。
图中底层后半部为综合布线系统的设备间,包括装在机箱内的中心配线架、电话程控交换机PBX和网络设备与服务器。
第2层是以无屏蔽双绞线为基础的水平子系统,因此,其垂直子系统(从设备间到其他层楼层管理间)中既有光缆又有大对数电缆。
图3.1综合布线系统示意图
PDS的实施必须与建筑格局相适应。
例如,垂直干线通常利用大楼弱电井垂直布设;水平干线可在过道顶棚之上利用桥架或管道敷设,从过道进入房间后直接从墙内埋管或经室内顶棚上的管道再通过墙内预埋管道进入室内墙座。
因此,布线工程的管道预埋工作必须配合土建工程进行,桥架线路敷设与管内穿线工作又必须与建筑的内装修工作同步进行。
由于PDS的设备通过标准插头插座连接,插接十分方便,设备之间线路的连接关系也很容易在设备间和/或管理间内通过跳线按需改变,因此组网十分灵活。
在现代建筑中PDS已经成为大楼必备的基础设施,我国许多城市的建筑与电信管理部门已经把PDS列入综合楼必须实施的工程,在高档住宅小区实施小区智能化系统时,综合布线系统也已被纳入其信息化基础设施建设的基本要求之中。
PDS以双绞线为主要介质,但出于抗电磁干扰和未来干线传输速率易升级两方面的考虑,有时是由于双绞线传输距离100m的限制,高层建筑的垂直干线与楼间干线多采用光纤。
PDS使用的双绞线有两种:
无屏蔽双绞线(UTP,即UnshieldedTwistedPairs)和屏蔽双绞线(STP,即ShieldedTwistedPairs),其中UTP使用最为广泛。
按照双绞线的性能的不同,UTP分为多类,表3.3仅列出已有和正在制订中的有关UTP标准的主要性能参数指标及典型应用。
尽管表中所引用的国际标准中多数还包括了STP参数的定义,但考虑到
图3.2室内、外常用的4对双绞线(UTP)的外形图
STP在工程中使用较少,未在表中列出。
图3.2为室内、外常用的4对双绞线(UTP)的外形图,其中各对线分别用,白—蓝(W-BL)、白—绿(W-G)、白—橙(W-O)和白—棕(W-B)标识。
事实上,线对中的白线并非全白,其上有该线对另一线色的环纹,极容易识别。
表3.3UTP的主要性能参数指标简要汇总
类别
称号
特性阻抗
(Ω),在
1MHz以
上测试
每103ft①互容(nf),在1kHz
测试
额定最高
工作频率
(MHz)
额定最高频率下
(长度100m)
应用举例
有关标准
信道最大
衰减(dB)
近端串扰
(损耗)(dB)
3类
100
20
16
14.90
19.3
电话、X.21/V.1110BASE-T、N-ISDN、100BASE-T4②
EIA/TIA-568,TSB36、TSB40、ISO/IEC11801
ANSI/TIA/EIA-568-A
CECS89:
97
4类
100
17
20
11.00
31.4
使用很少
5类/E
100
100
100
24.00
27.1
10/100/1000BASE-T
CDDI、ATM
6类
300
1000BASE-T③
2002年6月已公布相关标准
7类/F
600
1000BASE-T③
ISO/IECJTC/SC25
/WG3尚无正式文本
注:
①1ft=0.3048m
②100BASE-T4用4对3类UTP实现100Mbps的最大数据传输速率,而100BASE-T用2对5类UTP。
③1000BASE-T采用4对6和7类UTP实现1000Mbps的最大数据传输率,它要求传输线的最大额定工作频率
≥128MHz,尽管标准中允许工作于5类UTP上,但需要对某些参数作严格要求与测试(详见6.6.6节)。
2.3.3.2介质连接器
与双绞线介质连接的部件有两类:
配线架和终端连接插头/座。
1)配线架
配线架用于连接配线架之间、配线架与终端设备之间的双绞线缆。
根据是用于电话线配接还是用于局域网双绞线的配接,PDS的双绞线配线架又分两类。
有时,为了便于今后信息插座间互换,在工程中常在设备间中全部采用局域网用配线架。
局域网用数据配线架如图3.3所示,其中:
(a)为配线架;(b)为配线架上可配装的RJ-45插座模块;(c)为配线架上的RJ-45插座模块与网络设备上RJ-45插座间连接用的双RJ-45插头跳线(该线也可用于连接RJ-45墙座与网络设备或计算机网卡)。
2)终端连接插头/座
连接局域网信息终端(网络末端设备或计算机)的双绞线信息插头/座遵从RJ-45机械与电气标准。
RJ-45插头/座为8芯卡口式矩形小接插部件。
图3.4中,(a)为RJ-45墙座面
板示意图;(b)为面板内配接RJ-45插座模块;(c)为插头与跳线。
图3.5为RJ-45插头座的两种连接规范。
,
图3.3综合布线系统的数据配线架及其附件
图3.4综合布线系统的墙座与设备连接附件
图3.5综合布线系统使用的RJ-45插头/座连线规定
如图3.5所示,相关的标准定义了两种连线标准,即A标与B标。
二者的差异仅在于第2和第3线对位置互换。
因此,在布线系统中,如果采用A标,则从配线架到插头/座必须都采用A标,反之B标亦然。
读者也许已经注意到:
插头与插座的排线方式完全一样,当二者对插时排线正好反过来。
为了解决这一问题,制造商在RJ-45插头内部已经将线的排列反过来,在打线头时,只需按色标排好线的位置即可。
另外,还应当指出:
图中标为“白色”的线实际上是以白色为基色,以同一组另一线色环状缠绕的线。
3.2.4同轴电缆
由于同轴电缆(CoaxialCable/Coax)的两根传输线的中心轴相同,故称之为同轴电缆。
单根同轴电缆直径通常在1~2.5cm之间。
从电缆的截面看,其最内层为实心铜线,其外为绝缘层,再外为金属网或金属箔屏蔽层(也即另一根导线),最外层为塑料保护层。
同轴电缆的衰耗频率特性比双绞线好得多,因此可用于更高的频率信号和更高速率的数据传输。
加上外层金属网对内芯的屏蔽作用,同轴电缆的抗干扰能力比双绞线强。
通信用同轴电缆可分为基带(BaseBand)和宽带(BroadBand)两种。
“基带”一词原指未调制的信号所占用的频带,后来把用数字脉冲作载波的已调信号所占用的频带也归入基带信号之中,因此,基带同轴电缆也就用来泛指用数字脉冲序列信号直接传输数字数据的同轴电缆,也即3.4.2节中所说的数字基带传输用电缆。
常用的基带同轴电缆的特性阻抗为50Ω,例如,IEEE802.3(以太网)就使用50Ω的粗缆和细缆。
从历史上看,“宽带”一词源于电信业,用于泛指高于4kHz话音信号的频带。
现代通信与计算机网络界沿用了这一术语,把通过对模拟信号进行调制后用来传送模拟或数字信号的技术称为宽带传输(又称为频带传输),相应的电缆称为宽带电缆。
在多数文献中,将利用模拟信号去调制模拟载波后进行传输,称为模拟频带传输,闭路电视系统就是用模拟视像信号去调制模拟载频后利用6/8MHz频带在“宽带”同轴电缆传送模拟信号的实例;利用数字信号去调制模拟载波后再进行传输,称为数字频带传输,IEEE802.4(令牌总线局域网)、IEEE802.5(令牌环网)都是利用宽带同轴电缆传输数字信号的实例。
从严格的意义上讲,宽带一词并无明确的定义,现在使用很频繁的“宽带网”也无定量的界定,到底多“宽”算宽带网,类似问题我们将在后面相关部分还要作进一步的讨论。
应当指出:
出于工程上的考虑,可能会将多根同轴电缆汇集在一起形成多芯同轴电缆;在另一些特殊应用场合,为了进一步提高电缆的抗干扰能力,也可能在一般电缆的一芯、一屏蔽层的基础上,增加另外的屏蔽层。
例如,作为数字双向传输的HFC接入网的同轴电缆,就需要采用多层屏蔽同轴电缆。
3.2.5光纤
图3.6为电磁波频谱分布图,光通信利用可见光(波长10-7~10-6m)或近红外光(波长10-6m附近)在光纤内传输信息进行通信。
图3.6电磁波频谱分布图
光传输与电传输相比至少有十大优点,因而越来越受到重视:
①传输总容量大——由于光频率高(红光频率为5×1014Hz,而一般电磁波频率范围在3×105~3×108Hz),在光波通信中,载波频率越高其信息容量就越大。
以传输4kHz话音为例,可传1.25×1011路(N=f/Δf=5×1014Hz/4×103Hz),以占用6MHz带宽的电视节目为例(注意:
这是载波占用带宽,不是视频信号带宽),可容纳108路。
②光纤介质带宽比普通电缆频带宽,可达数太赫(1012Hz)。
尽管数字脉冲越窄,所占用带宽越宽,但由于光纤带宽比常规无线电频带宽度高几个数量级,可以用牺牲带宽为代价可换取高速数字通信能力。
③由于光频率远高于普通电磁波频率,电磁波很难迭加到光波上,因此光波抗电磁干扰的能力强。
④光纤传输损耗低(每公里零点几甚至零点零几dB),数十、上百公里才需要加中继放大。
⑤光纤的光泄漏小,因而保密性好。
⑥光纤由不导电的二氧化硅材料制成,其绝缘性能好,特别适合在强电环境中工作。
⑦光通信系统不存在接地问题,使用方便。
⑧光纤化学稳定性好、使用寿命长。
⑨光纤尺寸小、质量轻,特别适合须减轻传输线质量的场合,如飞行器中。
⑩使用光纤可节约大量导电金属(铜、铝)。
当然,由于光纤及相应设备的价格目前还较高,迄今为止仍主要用于通信干线。
光传输系统由3个基本部件构成:
光发生器、光通信介质和光接收器(或称检测器)。
光发生器由发光二极管LED(LightEmittingDevice)或激光二极管(LaserDiode)组成,它将来自计算机或电通信设备的电信号转化为光信号后注入光纤;直径不同的光纤(光通信介质)将光信号前传至光纤的另一端;光接收器接收并识别光介质中传来的光脉冲,通过光放大器放大后继续前传或通过光/电转换变成电信号送给电通信接收设备或计算机。
这就是光传输系统的工作过程。
光纤通过专用光连接器与设备相连。
3.2.5.1光在光纤中的传播
常规光纤是一种高度透明的玻璃丝(目前已开始研究塑料光纤),它由二氧化硅玻璃经复杂工艺拉制而成,其全称为光导纤维。
一根光导纤维从横截面看由两个基本部分组成,从内向外分别为:
折射率较高的光芯、折射率稍低的包层。
让我们从几何光学的角度来考虑下面的情况:
光线从折射率为n0的空气中以入射角θ投向折射率为n1的光芯,根据光折射定律,在空气与光芯端面上有
n0sinθ=n1sinθ1(3.1)
当入射角θ<θc时(θc为临界角),该光线将进入光芯而不在光芯端面上发生反射。
由式(3.1)可知,因n1>n0,故θ1<θ,于是光线向偏向光芯轴线方向折射。
光线在光芯内折射后,将以入射角Φ射向光芯与包层交界面。
由于包层端面与光芯轴线垂直,因此θ1+Φ=90。
根据光折射定律,在光芯与包层间界面上有
n1sinΦ=n2sinΦ1(3.2)
若Φ<Φc(Φc为光芯与包层界面的临界角),该光线进入包层后会以折射角Φ1折射。
若Φ=Φc,则该光线将沿光芯与包层交界面前向传输;若Φ>Φc,则该光线将以Φ(Φ=Φ)反射回光芯,即发生全反射。
在这种情况下,光线会在光芯与包层间经过多次反射,最终以折线形式沿光芯轴线方向传播。
光纤通信就希望光线尽量在光纤内发生全反射,使之沿光芯传播,尽量减少光从包层泄露出去。
图3.7为这一过程的示意图。
图3.7从几何光学看光纤内信号的传输
3.2.5.2多模与单模光纤
光纤中的“模”(Mode)是指光纤中电磁场的结构与状态。
根据光在光纤中传播的状态不同,可以把光纤分为多模(Multimode)和单模(Monomode)两种。
通俗地讲,如果一束光中所有光线在光纤内所走的路径不同(具有不同的传输模式),这种光纤被称为多模光纤。
当光纤直径减小到光波波长的十倍左右(如光纤芯直径为10μm左右,光波长为1μm左右),所有光线在光纤中反射角基本相同,光线在光纤中就像在波导中一样,作直线传播。
因为,光束路径相同(传输模式单一),故称此类光纤为单模光纤。
可见光波长为0.4~0.7μm,光通信中采用的波长在比可见光波波长稍短的近红外线光譜范围内,典型波长值在0.85、1.30和1.55μm附近。
0.85μm的光波常用于50μm左右的多模光纤,其衰减为2.5dB/km。
在1.55μm附近的光谱随距离的衰减较小,0.18dB/km,很适合用于芯径在1μm左右的单模光纤中传播。
尽管0.85μm附近光谱随距离衰减较大,但该波长的激光和电子信号都能通过同种材料(砷化镓)获得,因此也被广泛用作光通信信号载体。
上面仅是较形像地解释多模与单模的区别。
通过数学推导可以更进一步地理解二者实质上的区别。
光波本质上是一种特定波段的高频电磁波,它在光纤中的传播遵从麦克斯韦尔方程组,并满足光纤介质的边界条件(由光纤的结构所确定)。
因此,光纤中的“模”(Mode)实质上是指光纤中电磁场的结构与状态,可用求解麦克斯韦尔方程组
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