计算机网络 30分钟掌握物理层

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习题

物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？

要解决的主要问题：

  1. 物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
  2. 给数据链路层提供在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
  3. 在两个相邻系统之间唯一的标识数据电路

主要特点：

  1. 由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层描述为确定与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。
  2. 由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。

规程与协议有什么区别

规程专指物理层协议，在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了规程这一名词。

试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构建的作用。

一个数据通讯系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统、目的系统

image.png

  1. 源点：源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站。
  2. 发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
  3. 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息
  4. 终点：终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流。

试解释以下名词：数据，信号，模拟数据，模拟信号，基带信号，带通信号，数字数据，数字信号，码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。

  1. 数据：是运送信息的实体。
  2. 信号：数据的电气或电磁表现。
  3. 模拟数据：运送信息的模拟信号。
  4. 模拟信号：连续变化的信号。
  5. 基带信号：来自信源的信号，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。
  6. 带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。
  7. 数字数据：取值为不连续数值的数据。
  8. 数字信号：取值为有限的几个离散值信号。
  9. 码元：在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
  10. 单工通信：只有一个方向通讯。
  11. 半双工通讯：通讯双方可以发送信息，但同一时刻只能由一方发送，另一方接收。
  12. 全双工通讯：通讯的双方可以同时发送和接收信息。
  13. 串行传输：使用一根数据线传输数据，一次传输1个比特，多个比特需要一个接一个依次传输。
  14. 并行传输：使用多根并行的数据线一次同时传输多个比特。

物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？

  1. 机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置，等。
  2. 电气特性：指明在接口电缆的各线条上出现的电压的范围。
  3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
  4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

奈氏准则

在任何信道中，码元的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，使接收端对码元的识别成为不可能

信噪比

信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)信噪比(dB) = 10 log_{10}(S/N) (dB)

香农公式

信道的极限信息传输速率C：

C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)C = W log_2(1+S/N) (bit/s)

数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制？信噪比能否任意提高？香农公式在数据通信中的意义是什么？比特/每秒”和“码元/每秒”有何区别？

码元传输速率受奈氏准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制。香农公式在数据通信中的意义是：只要信息传输速率低于信道的极限传信率，就可实现无差传输。比特/每秒 是信息传输速率的单位,码元/每秒 是码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。一个码元不一定对应于一个比特。

假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s）?

C=R∗Log216=20000b/s∗4=80000b/sC=R*Log_216=20000b/s*4=80000b/s

假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示？这个结果说明什么问题？）

64000=3000log2(1+S/N)64000=3000log_2(1+S/N)
S/N=264/3−1=2642244.95=2.64×106S/N=2^{64/3}−1=2642244.95=2.64×10^6
信噪比dB=10log10S/N=10log102.64×106信噪比dB=10log_{10}S/N=10log_{10}2.64×10^6
dB=10[log102.64+log10106]=10[0.42+6]=64.2dBdB=10[log_{10}2.64+log_{10}10^6]=10[0.42+6]=64.2dB

是个信噪比要求很高的信源

用香农公式计算一下，假定信道带宽为为3100Hz，最大信道传输速率为35Kb/ｓ，那么若想使最大信道传输速率增加60％，问信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ再增大到十倍，问最大信息速率能否再增加20％？

当C=35kb/s时，B=3100hz，则S/N=2504当C=35kb/s时，B=3100hz，则S/N=2504

当C=56kb/s时，B=3100hz，则S/N=274132当C=56kb/s时，B=3100hz，则S/N=274132

所以应增大到约110倍左右

将S/N再增大到十倍，此时S/N=2741320

C=3100∗log2(1+S/N)=3100∗21.38=66092=66kb/sC=3100*log_2(1+S/N)=3100*21.38=66092=66kb/s

(66−56)/56=0.18(66-56)/56=0.18

所以不能再增加20%，只能再增加18%左右。

常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

  1. 双绞线
    • 可以传输模拟信号、数字信号
    • 双绞线容易受到外部高频电子波的干扰，误码率高
    • 价格便宜、安装方便，即适合点到点连接，又可用于多点连接
  2. 同轴电缆
    • 在局域网发展的初期曾广泛的使用同轴电缆作为传输媒体
    • 具有很好的抗干扰特性
  3. 光缆
    • 传输损耗小，可实现长距离传输
    • 体积小，重量轻
    • 传输效率高，通信容量高
    • 抗雷电和电磁干扰性能好，保密性好、误码率低
  4. 无线电微波通讯
    • 通讯容量大，传输频率宽
    • 受外界干扰小、传输质量高
    • 初建成本低、易于跨域山区、江河
    • 相邻站之间必须直视，不能有障碍物
    • 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

假定有一种双绞线的衰减是0.7dB/km(在 1 kHz时)，若容许有20dB的衰减，试问使用这种双绞线的链路的工作距离有多长？如果要双绞线的工作距离增大到100公里，问当使衰减降低到多少？

工作距离为 =20/0.7=28.6km工作距离为\ =20/0.7=28.6km

衰减应降低到  20/100=0.2db衰减应降低到\ \ 20/100=0.2db

试计算工作在1200nm到1400nm之间以及工作在1400nm到1600nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2*10e8m/s

1200nm到1400nm:

2∗108∗109/1200nm=166.67THz2*10^8*10^9/1200nm=166.67THz

2∗108∗109/1400nm=142.86THz2*10^8*10^9/1400nm=142.86THz

带宽：166.67−142.86=23.81THz166.67-142.86=23.81THz

1400nm到1600nm:

2∗108∗109/1400nm=142.86THz2*10^8*10^9/1400nm=142.86THz

2∗108∗109/1600nm=125THz2*10^8*10^9/1600nm=125THz

带宽：142.86−125=17.86THz142.86-125=17.86THz

1THz=109Hz1THz = 10^9Hz

为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

为了通过共享信道、最大限度提高信道利用率。

  1. 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的宽带资源
  2. 时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
  3. 码分复用：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
  4. 波分复用：用不同波长表示光载波信号

试写出下列英文缩写的全文，并做简单的解释。

FDM,TDM,STDM,WDM,DWDM,CDMA,SONET,SDH,STM-1,OC-48

  1. FDM(frequency division multiplexing) 频分多路复用
  2. TDM(Time DivisionMultiplexing) 时分复用技术
  3. STDM(Statistic TimeDivision Multiplexing) 统计时分多路复用
  4. WDM(Wave DivisionMultiplexing) 波分复用
  5. DWDM(Dense WaveDivision Multiplexing) 密集型光波复用
  6. CDMA(Code Division Multiple Access) 码分多址
  7. SONET(SynchronousOptical Network) 同步光纤网
  8. SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 同步数字系列
  9. STM-1(Synchronous Transfer Module-1) 第1级同步传递模块
  10. OC-48(Optical Carrier 48) 第48级光载波

共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为

A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1） B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）

C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1） D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）

现收到这样的码片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是0还是1？

S•A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1，   A发送1

S•B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B发送0

S•C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0，   C无发送

S•D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1，   D发送1

试比较xDSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点？

xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。成本低，易实现，但带宽和质量差异性大。HFC网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为750 MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。FTTx（光纤到……）这里字母 x 可代表不同意思。可提供最好的带宽和质量、但现阶段线路和工程成本太大。

为什么在ASDL技术中，在不到1MHz的带宽中却可以传送速率高达每秒几个兆比？

在ADSL技术主要采用离散多音频调制技术（DMT），这种技术将正交振幅调制(QAM)和频分复用技术相结合。把1M左右的带宽划分为256个通道，每个通道上采用16QAM调制技术，这样每个波特可以携带16位数据。因此通过上述两种技术提高了信道的速率，上下行速率的总和最终达到15M左右。

什么是EPON和GPON ？

EPON：是以太网无源光网络，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，而且成本低，扩展性强，管理方便。

GPON：是吉比特无源光网络，采用通用封装方法GEM(Generic Encapsulation Method)，是最新一代宽带无源光综合接入技术，具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，是被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术

PON:PON是一种典型的无源光纤网络，是指 (光配线网中) 不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器 (Splitter) 等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端 (OLT)，以及一批配套的安装于用户场所的光网络单元 (ONUs) 。

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