物理层：通信模型和信道

目录

• 物理层的目的
• 数据通信系统模型
  • 信道
  • 信道的极限容量
• 信道复用
  • 频分复用
  • 时分复用
  • 统计时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用
    • CDMA 的概念
    • 正交性
    • CDMA 工作过程
• 参考资料

物理层的目的

计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，也有许多不同的通信方式。物理层关注如何在连接计算机的传输媒体上透明地传输比特流，其核心目标是屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异，为上层（数据链路层）提供一个统一的、可靠的比特流传输服务。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：

物理层接口特征	说明
机械特性	接口的物理结构，如形状、尺寸、引脚定义
电气特性	线路上电压/电流的范围、阻抗匹配等
功能特性	每条信号线的功能，如数据线、控制线、地线
过程特性	事件发生的时序，即操作规程

数据在计算机内部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，即逐个比特按照时间顺序传输。这种传输方式的转换也由物理层完成。

数据通信系统模型

一个典型的数据通信系统包含三大部分：

数据通信系统组件	说明
源系统	包括信源（产生数据）和发送器（如调制器，负责编码/调制以适应传输系统）
传输系统	连接源和目的的物理媒体或复杂网络，负责传输信号
目的系统	包括接收器（如解调器，还原信号）和信宿（接收并使用数据）

数据通信系统的一些常用术语如下：

数据通信系统术语	说明
消息	要传递的信息实体，如声音、文字、图像等
数据	消息的具体、有意义的表示形式，如二进制序列
信号	数据的物理表现形式，如电或电磁信号

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

信号类型	说明
模拟信号	参数（幅度、频率）连续变化的信号
数字信号	参数取离散值的信号

信道

信道指向一个方向传送信息的通路，一条通信线路通常包含发送和接收两个方向信道。从通信双方的信息交互方式来看，有以下 3 种方式：

1. 单工通信：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. 半双工通信：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送和接收。通信时是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
   
3. 全双工通信：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。

信源发出的原始数字信号基带信号，它们常含低频/直流分量，而许多信道并不能传输这种分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。调制主要有两种方法，第一种方法是基带调制，它仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。这种过程也称为编码，常用的编码方式有如下几种：

常用编码方式	说明
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

第二种方法是带通调制，它使用载波进行调制，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。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。

基本带通调制方法	说明
调幅(AM)	载波的振幅随基带数字信号而变化
调频(FM)	载波的频率随基带数字信号而变化
调相(PM)	载波的初始相位随基带数字信号而变化

正交振幅调制 QAM是一种多元制的振幅相位混合调制方法，以达到更高的信息传输速率。例如，可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 16 种组合，即 16 个码元。由于 4 bit 编码共有 16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码，数据传输率可提高 4 倍。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。不过在数字通信种，虽然信号在传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要从失真的波形中能够识别出原来的信号，就对通信质量就没有影响。

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。

信道传输速率受限于两个关键因素，对应两大著名定理：

限制因素	核心问题	对应定理	公式	启示
信道带宽	码间串扰：信号高频分量被衰减，导致码元波形失真、边界模糊	奈奎斯特准则	给定带宽为 \(W\) (Hz) 的理想无噪声信道，码元传输速率上限为 \(2W\) (Baud)。	信道带宽越宽，允许的码元速率越高。
信噪比	噪声干扰：导致接收端判决错误，1 判为 0 或反之	香农公式	信道极限信息传输速率 \(C\) 为 \(C = W \log_2(1 + S/N)\) (bit/s)。其中 \(S/N\) 为信噪比，常用分贝表示：\(10\log_{10}(S/N)\) dB。	带宽或信噪比越大，极限速率越高。它指出了理论极限，但未给出实现方法。

奈氏准则激励不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。香农公式告诫在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。在达到奈氏极限后，可通过让每个码元携带更多比特信息（即采用多元调制，如 8QAM）来逼近香农极限。这是现代高速调制技术（如 QAM）的理论基础。

信道复用

复用技术允许多个通信过程共享一条物理信道，以提高信道利用率、降低成本。其基本模型是：在发送端用复用器合并多路信号，在共享信道上传输；在接收端用分用器分离信号，交付给不同用户。

频分复用

频分复用的原理是将信道的总频带划分为若干个互不重叠的子频带，每个用户独占一个子频带进行通信。所有用户在同一时间占用不同的频带，用户在整个通信过程中自始至终占用分配到的频带，无论是否发送数据。

时分复用

时分复用的原理是将时间划分为一系列等长的 TDM 帧，每个 TDM 帧又进一步划分为多个固定序号的时隙。每个用户在每个 TDM 帧中周期性地占用一个固定时隙，即所有用户在不同时间，占用相同的整个频带。

为用户分配的时隙是预分配、固定的，即使该用户无数据发送，时隙也保持空闲，不能被其他用户使用，导致信道利用率可能不高。

统计时分复用

统计时分复用 STDM 是针对 TDM 信道利用率低的问题而提出的改进型 TDM，也称为异步时分复用。STDM 的改进之处如下：

对比维度	时分复用	统计时分复用
时隙分配	静态、固定分配，每个用户有专用时隙	动态、按需分配，时隙只分配给当前有数据要发送的用户
帧结构	TDM 帧的时隙数 = 用户数	STDM 帧的时隙数 < 用户数
开销	无需在每个时隙内携带用户地址，因为时隙位置即代表用户	必须在每个时隙内携带用户地址信息，以便接收端能正确分用
信道利用率	较低，空闲时隙造成浪费	较高，避免了空闲时隙，特别适合突发性数据传输
关键设备	复用器	集中器，具备缓存和排队能力

STDM 非常适合于计算机数据这类具有突发性、间歇性特点的流量，它的工作过程如下：

1. 多个低速用户将数据发往集中器的输入缓存。
2. 集中器按顺序扫描各输入缓存。
3. 只将有数据的缓存装入 STDM 帧的时隙中，并为该时隙加上源用户地址。
4. STDM 帧装满后，通过高速线路发出。

波分复用

波分复用 WDM 是光的频分复用，由于光载波频率极高，习惯上用波长而非频率来区分信道，故称波分。原理是在一根光纤中，同时传输多个不同波长（频率）的光载波信号，每个波长承载一路独立的数据流。WDM 涉及以下主要的组件：

WDM 的组件	说明
合波器	在发送端将多路光信号复用到一根光纤中。
掺铒光纤放大器	一种全光放大器，可直接对 1550nm 波段的光信号进行放大，无需光电转换，极大延长了无中继传输距离。
分波器	在接收端将复合光信号解复用，分离出各波长信道。

在早期时通常复用两路或少数几路光信号，技术进步后可以实现密集波分复用 DWDM，可在一根光纤上复用几十路乃至上百路波长非常接近的光信号。DWDM 是构建现代高速光纤骨干网的基石，与光纤本身结合，共同提供了几乎无限的传输带宽潜力。

码分复用

CDMA 的概念

码分复用 CDMA 允许所有用户在相同时间、相同频带上通信，通过为每个用户分配独特的、相互正交的码片序列来区分不同用户，是一种扩频通信技术。CDMA 涉及以下主要概念：

CDMA 的主要概念	说明
码片	将每个比特时间进一步划分为 m 个更短的间隔作为码片，m 通常为 64 或 128。
码片序列	每个站被分配一个唯一的 m 位码片序列。
扩频	由于1个比特扩展为m个码片，实际发送信号带宽扩展了m倍，故属直接序列扩频。

发送比特 1 为发送本站的码片序列（用 +1/-1 表示），比特 0 为发送码片序列的二进制反码。例如 S 站的 8 bit 码片序列是 00011011，则 1 → 00011011、0 → 11100100，得到码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) 。

正交性

CDMA 正常工作的核心是码片序列的正交性，正交性条件为不同站的码片序列 S 和 T 必须满足如下公式，即不同码片序列的规格化内积为 0。

\[S \cdot T = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i T_i = 0 \]

自相关性条件为任何码片序列与自身的规格化内积为 1，与自身反码的内积为 -1：

\[S \cdot S = 1, \quad S \cdot \overline{S} = -1 \]

CDMA 工作过程

考虑一个 CDMA 系统，两个站点（S 站和 T 站）同时发送信号，接收方 X 如何利用码片序列的正交性分离出目标信号（S 站信号）的过程：

sequenceDiagram participant S as S站 participant T as T站 participant Air as 共享信道(空中接口) participant X as 接收站X (欲接收S站信号) Note over S,T: 1. 发送端：用唯一码片序列编码数据 S->>Air: 数据: 110<br>编码为: Sx = S, S, ~S T->>Air: 数据: 110<br>编码为: Tx = T, T, ~T Note over Air: 2. 信道中：信号线性叠加 Air-->>Air: 混合信号: Sx + Tx Note over X: 3. 接收端：用目标站码片序列解调 Air->>X: 收到混合信号: Sx + Tx X->>X: 计算内积: S · (Sx + Tx)<br> = (S·Sx) + (S·Tx) X->>X: 根据正交性：<br>S·Sx = 原始数据 (+1/-1)<br>S·Tx = 0 X->>X: 输出：S站发送的原始数据比特流

主要过程解析可以概括为如下步骤：

1. 发送：S 站和 T 站用自己的码片序列分别扩频编码各自的数据，并在同一频段、同一时间发送。
2. 混合：信号在共享信道（如空中）线性叠加，形成混合信号 Sx + Tx。
3. 解调：接收站 X 希望接收 S 站的数据，它将收到的混合信号与 S 站的码片序列 S 进行内积运算。
   • 根据正交性：S · Tx = 0，T 站的信号被完全滤除。
   • 根据自相关性：S · Sx 的结果等于 S 站发送的原始数据比特（+1 对应 1，-1 对应 0）。

总而言之，CDMA 具有以下特点，这些优势使其广泛用于 2G/3G 移动通信、GPS、军用通信等。

CDMA 的特点	说明
抗干扰能力强	频谱类似白噪声，难以截获和干扰
隐私性好	不知码片序列无法解码
软容量	增加用户会轻微增加背景噪声，但无绝对硬性信道数量限制
无需严格同步	相比 TDMA，对定时同步要求较低

参考资料

《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社