初识计算机网络||物理层

本文参考谢希仁《计算机网络（第6版）》，电子工业出版社出版。
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初识计算机网络||物理层

1、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。现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。

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。

数据在计算机中多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2、数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

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）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分：

• 源点(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC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PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。

目的系统一般包括以下两个部分：

• 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PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

常用术语

• 通信的目的是传送消息(message) 。如话音、文字、图像、视频等都是消息。
• 数据(data) 是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列，这种信息的表示可用计算机处理或产生。
• 信号(signal) 则是数据的电气或电磁的表现。

信号的分类

1. 模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。
2. 数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。

2.2 有关信道的几个基本概念

信道

信道（channel）和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

通信双方信息交互的方式

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。

基带信号

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制

调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

基本的带通调制方法

• 调幅(AM)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
• 调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
• 调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。

2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

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

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。像上图所示的发送信号是一种典型的矩形脉冲信号，它包含很丰富的高频分量。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。早在1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。奈氏准则的推导已超出本书的范围，这可在通信原理教科书中查阅到。我们需要知道的就是：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。

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。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。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。即：
$信噪比(dB) = 10 log_{10}(\frac SN) (dB)$信噪比(dB)=10log10​(NS​)(dB)
在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是:
$C = W log_2 (1+\frac SN)(b/s)$C=Wlog2​(1+NS​)(b/s)
式中，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。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。

3、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体（这里的“导引型”的英文就是guided，也可译为“导向传输媒体”）。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播；而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。图2-5是电信领域使用的电磁波的频谱。

3.1 导引型传输媒体

双绞线

双绞线是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛。为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP (Shielded Twisted Pair)。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP (Unshielded Twisted Pair) 要贵一些。下图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。

下表是常用的绞合线的类别、带宽和典型应用：

绞合线类别	带宽	典型应用
3	16 MHz	低俗网络；模拟电话
4	20 MHz	短距离的10BASE-T以太网
5	100 MHz	10BASE-T以太网；某些1000BASE-T快速以太网
5E(超5类)	100 MHz	100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T吉比特以太网
6	250 MHz	1000BASE-T吉比特以太网；ATM网络
7	600 MHz	只使用STP，可用于10吉比特以太网

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减，但却增加了导线的价格和重量。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。

光缆

光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8至100 μm（1 μm = 10-6 m ）。光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

下图画出了光波在纤芯中传播的示意图。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输数公里而基本上没有什么衰耗。这一点乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
• 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
• 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。

光纤现在广泛用在因特网、电信网和有线电视网的主干网络中，因为它提供了很高的带宽，而且性价比很高。在高速局域网中也使用得很多。

3.2 非导引型传输媒体

若通信线路要通过一些高山或岛屿，导引型传输媒体有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种的通信。由于这种通信方式不使用导引型传输媒体，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒。

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz～300GHz（波长1 m～10cm），但主要是使用2～40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式：即地面微波接力通信和卫星通信。

由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100 m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。大多数长途电话业务使用4∼6GHz的频率范围。

微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：

• 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
• 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，因而微波传输质量较高。
• 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。

微波接力通信也存在如下的一些缺点：

• 相邻站之间必须直视（常称为视距LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
• 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
• 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
• 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

4、信道复用技术

4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。

下图(a)表示A1，B1和C1分别使用一个单独的信道和A2，B2和C2进行通信，总共需要三个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。下图(b)是复用的示意图。当然，复用要付出一定代价（共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器）。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。

最基本的复用就是频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM (Time Division Multiplexing)。频分复用最简单，其特点如下图(a)所示。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。而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。为简单起见，在下图(b)中只画出了4个用户A, B, C和D。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也称为等时(isochronous)信号。可以看出，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。这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。时分复用则更有利于数字信号的传输。

在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的作用相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时（例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息），那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。下图说明了这一概念。这里假定有4个用户A，B，C和D进行时分复用。复用器按A→B→C→D的顺序依次对用户的时隙进行扫描，然后构成一个个时分复用帧。图中共画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。请注意，在时分复用帧中，每一个用户所分配到的时隙长度缩短了，在本例中，只有原来的1/4。可以看出，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高。

统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。可见，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。我们还可看出，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。这里应注意的是，虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡的。假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存都将溢出。所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销。使用统计时分复用的集中器也叫做智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力（但大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特），通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外，许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。

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”和数据链路层的“帧”是完全不同的概念，不可弄混。

4.2 波分复用

波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。现在人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就使光纤的传输能力可成倍地提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就使用了波分复用这一名词。最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用 WDM。随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多。现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用DWDM（DenseWavelength Division Multiplexing）这一名词。例如，每一路的数据率是40Gb/s，使用DWDM后，如果在一根光纤上复用64路，就能获得2.56Tb/s的数据率。下图给出了波分复用的概念。

4.3 码分复用

码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信的，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量（是使用GSM的4～5倍[插图]），降低手机的平均发射功率等等。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为 m个短的间隔，称为码片(chip)。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的mbit码片序列(chip sequence)。

5、数字传输系统

早期的数字传输系统存在着许多缺点，其中最主要的是以下两个：

• 速率标准不统一。由于历史的原因，多路复用的速率体系有两个互不兼容的国际标准，北美和日本的T1速率（1.544Mb/s）和欧洲的E1速率（2.048Mb/s）。但是再往上的复用，日本又搞了第三种不兼容的标准。这样，国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。
• 不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。在准同步系统中由于各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（通常采用昂贵的铯原子钟，其精度优于±1×10-11）。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84Mb/s为基础，大约对应于T3/E3的传输速率，此速率对电信号称为第1级同步传送信号(Synchronous Transport Signal)，即STS-1；对光信号则称为第1级光载波(Optical Carrier)，即OC-1。现已定义了从51.84Mb/s（即OC-1）一直到9953.280Mb/s（即OC-192/STS-192）的标准。

ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)，即1988年通过的G.707～G.709等三个建议书。到1992年又增加了十几个建议书。一般可认为SDH与SONET是同义词，但其主要不同点是：SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块(SynchronousTransfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。下表为SONET和SDH的比较。为方便起见，在谈到SONET/SDH的常用速率时，往往不使用速率的精确数值而是使用表中第二列给出的近似值作为简称。

SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1 310nm和1 550nm的激光源。在物理层定义了帧结构。SDH的帧结构是以STM-1为基础的，更高的等级是用N个STM-1复用组成STM-N，如4个STM-1构成STM-4，16个STM-1构成STM-16。

6、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。

6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300～3 400 Hz的范围内（这是电话局的交换机设置的标准话路频带），但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL技术把0～4kHz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。ADSL的ITU的标准是G.992.1 （或称G.dmt，表示它使用DMT技术）。由于用户在上网时主要是从因特网下载各种文档，而向因特网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。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调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz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。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。由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。可见ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。因此电信局需要定期检查用户线的质量，以保证能够提供向用户承诺的最高的ADSL数据率。下图所示为这种DMT技术的频谱分布。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器 DSLAM（DSLAccess Multiplexer），用户线和用户家中的一些设施。数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU（Access Termination Unit）。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此把在电话端局（或远端站）和用户家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C（C代表端局（Central Office））和ATU-R（R代表远端（Remote））。用户电话通过电话分离器（Splitter）和ATU-R连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。电话分离器是无源的，它利用低通滤波器将电话信号与数字信号分开。将电话分离器做成无源的是为了在停电时不影响传统电话的使用。一个DSLAM可支持多达500～1000个用户。若按每户6Mb/s计算，则具有1000个端口的DSLAM（这就需要用1000个ATU-C）应有高达6Gb/s的转发能力。因ATU-C要使用数字信号处理技术，因此DSLAM的价格较高。

ADSL是借助于在用户线两端安装的ADSL调制解调器（即ATU-R和ATU-C）对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输。用户线本身并没有发生变化。但给用户的感觉是：加上ADSL调制解调器的用户线好像能够直接把用户PC产生的数字信号传送到远方的ISP。正因为这样，原来的用户线加上两端的调制解调器就变成了可以传送数字信号的数字用户线DSL。

ADSL技术也在发展。现在ITU-T已颁布了更高速率的ADSL标准。例如，ADSL2（G.992.3和G.992.4）和ADSL2+（G.992.5），它们都称为第二代ADSL，目前已开始被许多ISP采用和投入运营。第二代ADSL改进的地方主要是：

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz（相应的子信道数目也增多了），下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可以达到25Mb/s），而上行速率可达800kb/s。
• 采用了无缝速率自适应技术SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率。
• 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网（HFC网, HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但以后有线电视网进行了改造，变成了现在的光纤同轴混合网HFC网。这种光纤同轴混合网HFC的主要特点如下。

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)。在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。从头端到用户家庭所需的放大器数目也就减少到仅4～5个。连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。

6.3 FTTx技术

由于因特网上已经有了大量的视频信息资源，因此近年来宽带上网的普及率增长得很快。但是为了更快地下载视频文件，以及更加流畅地欣赏网上的各种高清视频节目，尽快地把用户的上网速率进行升级就成为ISP的重要任务。从技术上讲，光纤到户FTTH（Fiber To The Home）应当是最好的选择，这也是广大网民最终所向往的。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。

但光纤到户FTTH有两个问题：首先是目前的价格还很贵，一般家庭用户承受不起；其次是一般的家庭用户也并没有这样高的数据率的需求，要在网上流畅地观看视频节目，有数兆比特每秒的数据率就可以了，不一定非要使用100Mb/s或更高的数据率。

在这种情况下，就出现了多种宽带光纤接入方式，称为FTTx，表示Fiber To The…。这里字母x可代表不同的光纤接入地点。实际上，FTTx就是把光电转换的地方，从用户家中（这时x就是H），向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。

其实，现在信号在陆地上长距离的传输，基本上都已经实现了光纤化。在前面所介绍的ADSL和HFC宽带接入方式中，用于远距离的传输媒体也早都使用了光缆。只是到了临近用户家庭的地方，才转为铜缆（电话的用户线和同轴电缆）。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 (OpticalDistribution Network)，使得数十个家庭用户能够共享一根光线干线。图2-25是现在广泛使用的无源光配线网的示意图。“无源”表明在光配线网中无须配备电源，因此基本上不用维护，其长期运营成本和管理成本都很低。无源的光配线网常称为无源光网络PON (Passive Optical Network)。

在下图中，光线路终端OLT (Optical Line Terminal)是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1:N 光分路器(splitter)，然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU (Optical Network Unit)发送。典型的光分路器使用分路比是1:32，有时也可以使用多级的光分路器。每个ONU根据特有的标识只接收发送给自己的数据，然后转换为电信号发往用户家中。每一个ONU到用户家中的距离可根据具体情况来设置，OLT则给各ONU分配适当的光功率。如果ONU在用户家中，那就是光纤到户FTTH了。

当ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA方式发往OLT，而发送时间和长度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纤主干。

光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。

无源光网络PON的种类很多，但最流行的有以下两种：

以太网无源光网络EPON (Ethernet PON) ：已在2004年6月形成了IEEE的标准802.3ah。在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON的优点是：与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。

吉比特无源光网络GPON (Gigabit PON) ：其标准是ITU在2003年1月批准的ITU-T G.984。GPON采用通用封装方法GEM (Generic EncapsulationMetheod)，可承载多业务，对各种业务类型都能够提供服务质量保证，是很有潜力的宽带光纤接入技术。