数据通信期中复习

通信模型： 源点->发送器->传输系统->接收器->终点

单工、半双工、双工。

数字通信系统:利用数字信号来传递信息的通信系统

模拟通信系统: 利用模拟信号来传递信息的通信系统

混成系统

TCP/IP 5层模型

• 应用层：用于支持各种不同应用程序的逻辑 (SMTP,FTP,SSH,HTTP)

• 运输层：提供端到端的传输服务 (TCP,UDP)

• 网际层：提供多个网络的路由选择功能，能够让数据跨越多个互联的网路 (IPv4,Ipv6))

• 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 (以太网,WiFi,ATM,帧中继)

• 物理层：负责数据传输设备与传输媒体的物理接口 (双绞线,光纤,卫星,地面微波)

网络体系结构分层的好处：

• 为应用提供一个抽象，对应用设计者隐藏网络的复杂性

• 促进标准化

• 各层互相独立，技术升级和扩展灵活性好

• 便于方案设计和维护

信源编码与译码的目的：

• 提高信息传输的有效性

• 完成模/数转换

信道编码与译码的目的：

• 增强抗干扰能力

加密与解密的目的：

• 保证所传信息的安全

数字调制与解调的目的：

• 形成适合在信道中传输的带通信号

数字通信的特点

• 优点：

  • 抗干扰能力强，且噪声不积累

  • 传输差错可控

  • 便于处理、变换、存储

  • 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输

  • 易于集成，使通信设备微型化，重量轻

  • 易于加密处理，且保密性好

• 缺点：

  • 需要较大的传输带宽

  • 对同步要求高

套接字：

• 流套接字(TCP)： 面向连接的可靠数据传输，并保证按发送时的顺序到达

• 数据报套接字(UDP): 快速，交付没有保证，也不一定会保留初始顺序

• 原始套接字：直接访问底层协议。

数据传输

成功的数据传输依赖于两个因素：

• 传输信号的质量

• 传输媒体的特性

传输媒体：

• 导向媒体：电磁波在导线引导下 沿某一物理路径前进， 双绞线，光纤，同轴电缆

• 非导向媒体：无线传输，提供传输电磁波方式，但不引导传输方向，空气，真空，海水

傅里叶变换

方波信号：$s(t) = A \times \frac{4}{\pi} \sum_{k=1,k \ is \ odd}^{\infty} \frac{sin(2\pi kft)}{k}$

频谱：信号所包含的频率范围

绝对带宽：信号的频谱宽度

有效带宽：包含信号绝大多数能量的窄带

直流分量：信号中频率为零的成份

$R_b = 2f$

信号的能量与功率：

能量：$E_x = \int_{-\infty} ^{\infty} |x(t)|^2 dt$

功率：$P_x = \frac{1}{t_2-t_1} \int_{t_1}^{t_2} |x(t)|^2 dt$.

一个周期的平均功率为$P= \frac{1}{T} \int_{0}^{T} |x(t)|^2 dt$

模拟信号：用连续变化电磁波来表示数据

数字信号：用电压脉冲序列来表示数据

3dB带宽：即$P_{\text{半功}} = 0.5 P_{\text{峰值}}$， 也就是说该区间边界的功率值比峰值功率值低3dB.

数字信号传输：

• 比传输模拟信号便宜

• 不易受噪声干扰

• 比传输模拟信号更容易受衰减影响

目前普遍采用数字技术的原因：

• 大规模集成电路在体积和价格上都不断降低

• 数据完整性：不使用放大器而使用转发器，噪声和其他损伤的影响不会被累积

• 容量利用率：实现复用，数字技术(时分)比模拟技术(频分)更容易也更便宜

• 安全与保密：数字数据可以直接加密，而模拟数据还得数字化之后才能加密

• 综合性：所有信号具有相同的格式并且处理方法也相同。经济方便

主要考虑的损伤：

• 衰减：解决方法：放大器和转发器

• 失真： 时延失真，码间串扰

• 噪声：包括热噪声、互调噪声、串扰、冲激噪声

信噪比：$SNR_{dB} = 10 lg \frac{S}{N}$.

热噪声：由电子的热运动造成的。 热噪声均匀地分布在通信系统常用的频率范围内，因此通常称为白噪声。$N_0 = kT(W/Hz)$

互调噪声：当不同频率的信号共享同一传输媒体时，可能会产生互调噪声。互调噪声的产生是由于在发送器、接收器中存在非线性因素，或者是传输系统受到干扰。 额外的信号，频率是两个原频率之和或差。

串扰：载有多路信号的相邻双绞线之间发生电耦合，有时在同轴电缆之间也会发生。 双绞线的扭绞结构是为了减少相邻导线 间的串扰和消除外界干扰。

以上噪声都是可预测的，并有着比较固定的强度。

冲激噪声：是非连续的，由不规则的脉冲或持续时间短而振幅大的噪声尖峰组成。它的产生有多种原因，包括外部电磁波干扰以及通信通信系统本身的故障和缺陷。

信道容量：给定条件下，某一通信信道上所能达到的最大数据传输速率。

奈奎斯特带宽： $C = 2B log_2M$

波特率$R_B$与比特率$R_b$

$R_b = R_B log_2 M$

香农公式: $C = B log_2 (1+SNR)$

$E_b$为每比特信号的能量, $N_0$ 为每赫兹噪声功率密度

$\frac{E_b}{N_0} = \frac{S/R}{N_0} = \frac{S}{kTR}$

传输媒体

双绞线：

• 廉价

• 方便

• 数据率低

• 传输距离短

插入损耗，近端串扰

同轴电缆可以被用于长距离传输和更多的复用

光纤的特点：

• 容量更大

• 体积更小、质量更轻

• 衰减更小

• 隔绝电磁场 (可以提高安全性)

• 转发器的间隔更远

分类：

• 多模突变传播：有多个角度可以发生反射。存在多条传播路径

• 单模传播：

• 多模渐变

天线增益：$G_{dB} = 10 lg(P_2/p_1)$

天线增益和有效面积的关系：$G = \frac{4 \pi A_e}{\lambda^2} = \frac{4 \pi f^2 A_e}{c^2}$ $A_e = 0.56 A$

无线传播:

• 地波： f<2MHz, AM

• 天波： BBC

• 视距： f>30MHz. $d = 3.57 (\sqrt{Kh_1} + \sqrt{Kh_2})$

自由空间损耗：$\frac{P_t}{P_r} = \frac{(4 \pi d)^2}{\lambda^2} = \frac{(4\pi f d)^2}{c^2}$

信号编码技术

极性

• 单极性：正电平和零电平对应二进制码1和0。 有直流分量，不适用有交流耦合的远距离传输。

• 双极性：正电平和负电平对应1和0. 1和0等概率出现时无直流分量

归零:

• 归零：电脉冲宽度小于码元宽度，即信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平 (易于提取同步信息)

• 不归零：占空比100%

占空比：电脉冲宽度/码元宽度

双相位：‘0’用'01’两个相位表示, ‘1’用'10’两个相位表示

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

数字信号编码：

• 不归零电平(NRZ-L)

  • 0=高电平

  • 1=低电平

• 不归零1制(NRZI)

  • 0=在间隔的起始位置没有跳变

  • 1=在间隔的起始位置跳变

• 双极性AMI

  • 0=没有线路信号

  • 1=正电平或负电平，如果是连续的比特1，则在正负电平之间不断交替

• 伪三进制码

  • 0= 正电平或负电平，如果是连续的比特0，则在正负电平之间不断交替

  • 1=没有线路信号

• 曼彻斯特编码

  • 0=在间隔的中间位置从高向低跳变

  • 1=在间隔的中间位置从低向高跳变

• 差分曼彻斯特编码：在间隔的中间位置总是有一个跳变

  • 0 = 在间隔的起始位置跳变

  • 1 = 在间隔的起始位置没有跳变

• 8零替换(B8ZS)

  • 与双极性AMI类似，除了连续的8个零的比特串被另一个比特串所取代，这个比特串中有两个码是违反编码规则的

• 高密度双极性3零码(HDB3)

  • 与双极性AMI类似，除了连续的4个零的比特串被另一个比特串所取代，这个比特串中有一个码是违反编码规则的

NRZ特点：

• 简单

• 有效利用带宽

• 具有直流成份

• 缺乏同步能力

扰码技术：使用扰码替代产生恒定电压的序列

填充序列

• 必须产生足够的跳变以利于同步

• 必须被接收器识别并以原始序列替换回来

• 和原始序列长度相同

设计目标：

• 不含直流

• 含有丰富的定时信息

• 不会降低数据率

• 可提供差错检测

• 易于检测，不会被接收端误判

三角公式

正交调幅： QAM : $s(t) = d_1(t)cos 2\pi f_c t + d_2(t) sin 2\pi f_c t$.

在同样的载波频率上发送两个不同的信号：

• 使用两个载波，具备90偏移

• 每个载波通过ASK调制

• 在同样的传输媒体发送两个独立的信号

脉码调制

压扩函数

AM: $S_{AM}(t) = (A_0+m(t)) cos \omega_c t$

PM: $S(t) = Acos[w_ct + n_p m(t)]$

FM: $S(t) = Acos[w_c t + n_f \int m(\tau) d \tau]$

数据链路控制协议

性能指标

• 传输时延: 数据量/数据率

• 传播时延: 从一端到另一端

• 处理时延

• 排队时延

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

停止等待流量控制

流程:

1. 源点发送帧

2. 终点接收帧并返回ACK

3. 源点收到ACK后发送下一帧

4. 终点可以通过不发送ACK来终止流

停止等待流量控制对于少量但比较长的帧是比较有效的，但对于多量但比较短的帧不是很高效。

但把数据分割成较小的数据块更为常见，原因如下:

1. 接收方缓存有限

2. 大数据块容易发生错误，出现错误时，重传的数据量也比较小。

3. 避免一个站点长时间占用传输媒体

一些计算:

• 链路的比特长度: $B = R \times \frac{d}{v}$ , $R$ 是数据率(bps), $d$ 是链路长度$m$, $V$ 是传播速度$m/s$.

• 传播时延/时间(归一化值) : $a = \frac{t_{prop}}{t_{frame}} = \frac{d/V}{L/R} = \frac{B}{L}$ , $L$ 是一个帧中的比特数

• 链路利用率: $U = \frac{t_{frame}}{t_{all}} = \frac{t_{frame}}{2t_{prop} + t_{frame}} = \frac{1}{2a+1}$

滑动窗口流量控制

流程:

• 接收端缓存大小W

• 发送端在没有收到ACK前可以发送W个帧

• 每个帧通过序号来标识

  • 序号大小受字段长度限制(k bits)

  • 帧以$2^k$ 为模编号($0 … 2^k - 1$)

• ACK 包含下一个期望收到的帧编号

协议优化

• 接收端允许发送RNR,切断对方的帧流

• 之后，接收端必须通过一个正常的确认帧来重启滑窗

• 如果是双向链路,可以使用捎带“piggybacking”

  • 一个帧包含发送数据和ACK

  • 如果没有数据发送，发送独立的确认帧

  • 如果需要发送数据，但是没有新的确认，则重新发送上一次已经发送过的确认

计算:

• 链路利用率: $W$ 为窗口宽度

  • $U = 1$, $W \ge 2a+1$

  • $U = \frac{W}{2a+1}$, $W< 2a+1$

差错控制: 用于检测和纠正帧传输过程中出 现差错的机制

针对以下两种类型的差错:

• 帧丢失: 帧没有到达另一方

• 帧损伤: 帧到达，但是有一些比特有差错

数据链路层差错控制采用自动请求重传(automatic repeat request)机制

ARQ使得一个不可靠的数据链路变为可靠链路：

• 差错检测

• 肯定确认

• 超时重传

• 否认与重传

三种ARQ标准:

• 停止等待ARQ(stop-and-wait ARQ)

• 返回N ARQ(go-back-N ARQ)

• 选择拒绝ARQ(selective-reject ARQ)

停止等待ARQ

• 基于停止等待流量控制

• 要保存一个发送帧的拷贝, 在终点确认返回前，源点不发送其他帧

• 帧损伤:

  • 接收端检测到差错，丢弃该帧

  • 发送端超时重传

• ACK损伤:

  • 发送端超时重传

  • 接收端收到用两份相同编号的帧

  • 使用 ACK0 / ACK1 来确认希望接收的帧

    • ACKi means“I am ready to receive frame i”

返回N ARQ

• 最常用的差错控制协议

• 基于滑动窗口流控机制,没有收到确认的帧的最大数目取决于窗口大小

• 如果没有差错，使用ACK确认接收就绪

• 如果错误发生，为错误帧发送rejection(negativeACK)

  • 接收端丢弃该帧和所有后来收到的帧，直到错误帧被正确接收

  • 发送端必须重传有差错的帧和差错帧后所有已 经传输过的帧

• 窗口大小最大为$2^k -1$

• Go-back-N 接收不允许乱序?

选择拒绝ARQ

• 仅重传拒绝帧或超时帧，也叫做选择重传ARQ

• 后续帧被接收端接收并缓存起来

• 最小化重传帧的数量

• 接收端需要维护足够大的缓存

• 发送端和接收端逻辑更为复杂

  • 能够按照正确的顺序重组帧

  • 判断并仅发送失序帧

• 用于传播时延长的卫星链路

• 窗口大小最大为$2^{k-1}$

HDLC

• 站点类型:

  • 主站:负责控制链路操作. 由主站发出的帧称为命令

  • 从站: 在主站的控制下操作。由从站发出的帧称为响应。主站为链路上的每个从站维护一条独立的逻辑链路。

  • 混合站: 结合了主站和从站的特点。混合站发出的帧既可能是命令，也可能是响应。

• 链路设置:

  • 非平衡设置 – 1个主站、 多个从站， 可支持全双工或半双工传输。

  • 平衡设置 – 2个混合站组成， 可支持全双工或半双工传输。

• 数据传送方式:

  • 正常响应方式(NRM)

    • 非平衡设置

    • 主站能够发起到从站的数据传送

    • 从站只有在接收到主站的命令式才传输数据

  • 异步平衡方式(ABM)

    • 平衡设置

    • 两个混合站都能够发起数据传输，不需要对方混合站 的许可

    • 使用最广泛

• 帧结构:

  • 使用同步传输

  • 传输以帧的形式进行

  • 一个帧格式满足所有数据和控制交换

复用

FDM 频分复用

• 概念: 将多个信号调制到不同的载波频率上，且有足够间隙防止其带宽重叠，以同时运载

• 信道: 每个信号以各自载波频率为中心的一定的带宽。

• 防护频带: 在载波频率中，信道之间未被占用的部分

• 流程:

  • 信号$m_i(t)$ —副载波调制器$f_i$–> 副载波$s_i(t)$ —叠加$\Sigma$ —> 复合基带调制信号$m_b(t)$ —–发送器$f_c$ —> FDM信号$s(t)$ —-接收器—> 复合基带信号$m_b(t)$ —– 带通滤波器$f_i$ ——> 副载波$s_i(t)$ —–解调器$f_i$ —-> 信号$m_i(t)$.

• 波分复用:

  • 波分复用是光纤通信中使用的一种复用方式

  • 不同波长的光信号通过同一根光纤传输

  • 在概念上与频分复用相同

  • 采用不同源的窄带光组成一个宽带光

    • 棱镜用作波分复用及其多路分解

Synchronous TDM  同步时分复用

概念

• 可以用于数字信号或模拟信号传输数字数据

• 数据被组织成“帧”:每帧包含一组循环使用的时隙;每个数据源可以被分配一个或多个时隙

• 间隔可以是比特级，也可以是字符级或更大的粒度

• 同步时分复用中同步是指时隙被提前分配给数据源且是固定的

流程:

• 数据$m_i(t)$ —-缓存—> 数据$m_i(t)$ —–扫描操作—-> TDM流$m_c(t)$ ——调制调节器—–> 经调制的TDM流$s(t)$ ——-调制解调器—–> TDM流$m_c(t)$ —–扫描操作—–> 数据$m_i(t)$ —–缓存—–> 数据$m_i(t)$

链路控制:

• 数据流不存在头部和尾部,不需要数据链路控制

• 数据率是固定的，如果没有信息将发送空时隙

• 差错控制: 基于单信道的差错控制

组帧:

• 不需要flag或SYNC字符为TDM帧定界

• 仍然需要提供源和宿端的同步(clock)机制

• 增加数字组帧技术

  • 每个TDM帧附加一个控制比特

  • 可识别的比特模式

  • 一个典型的交替比特模式 101010……

  • 同步搜索模式:接收器将接收到的帧中的比特位与预 期的模式相比较，直到这个模式在多个帧里持续传输， 建立帧同步

数字载波系统:

• E体系: PCM30/32路数字载波系统,

  • 以2.048Mbps作为基群速率(E1速率) 的数字系列

  • 欧洲、中国采用，并用于国际间传输

• T体系 PCM24路数字载波系统

• – 以1.544Mbps作为基群速率(T1速率) 的数字系列

• 用于北美、日本

Statistical TDM 统计时分复用

• 概念

  • 每个源有一缓存，填满时作为一帧发送

  • 根据需求分配时隙，解决空时隙和浪费问题

• 电缆调制解调器

  • 让用户通过有线电视网访问Internet

ADSL 非对称用户数字线路

• 用户和广域网络之间的线路(最后一公里)

• 使用已安装好的双绞线(电话线)

• 非对称 – 下行流容量高于上行流

• 使用频分复用uses Frequency Division Multiplexing

  • 最低的 25kHz用于话音业务 (POTS)

  • 使用回声抵消(echo cancellation)或者FDM提供双向传 输

• 距离范围可达5.5km

交换

电路交换

• 用于公众电话网 PSTN， 为处理话音通信量(voice traffic)而开发，但 也能处理数字数据

• 在两个站点之间建立固定通路

• 通信期间在网络内部保留交换与传输资源

• 一旦电路建立，网络连接是透明的

• 流程: 建立通路，通信，断开通路

空分交换

• Cross Switch: 两两交叉，$n$ 入$n$ 出, 有$n^2$个交叉点，至多用$n$ 个交叉点。 非阻塞

• 3-Stage Space Division Switching:

  • 第一级: $\frac{N}{n}$ 个 $N \times m$ 单元

  • 第二级: $m$ 个$n \times n$ 单元

  • 第三极: $\frac{N}{n}$ 个 $N \times m$ 单元

  • $m \ge 2n-1$ 时非阻塞， 否则阻塞。

• Banyan Switch: 利用输入端的二进制编码来构建空分交换,

分组交换

• 概念:

  • 数据交换,大数据段分为较小的数据包，包括用户数据和控制信息

  • 途径多个节点，可被缓存

数据包交换:

• 每个数据包都被当做单独的数据包对待

• 无建立时间，灵活，可靠

虚电路交换:

• 先建立(虚拟)路径，此后数据包都按此路径发送

• 可提供排序和错误控制,可以按序发送，传送速度更快(无需选择路由)，较不可靠。

异步传输模式 ATM

概念:

• 信元: 小的，固定长度的分组，减小时延

• 面向连接的分组交换技术，提供类似电路交换网络的性能，同时又提供分组交换的灵活性和效率

• 数据率:高

• 支持数据，语音，视频

• 传输: 基于优先级和QoS，用户可选择服务等级

ATM逻辑连接:

• 虚通路: VCC,类似虚电路,速率可变，全双工，定长信元流

• 虚通道连接: VPC, 一群具有相同端点的虚通路

蜂窝无线网络

概念:

• 区域被分成蜂窝

• 使用低功率发送器，100W以下，控制功率防止频率逃逸

• 每个蜂窝一个基站: 发送器，接收器和控制单元。

• 相邻蜂窝频率不同:防止干扰

• 蜂窝形状为六边形: 蜂窝半径为R,则相邻蜂窝中心距离$\sqrt{3} R$

频率重用:

• $D$: 使用相同频率的蜂窝中心之间的距离

• $R$: 蜂窝半径

• $d$: 相邻蜂窝中心之间的距离

• $N$: 重复模式中的蜂窝数量，重用系数，其可能值仅有这些: $N = I^2 + J^2 + I \times J$, $I,J = 0,1,2,3,…$

• $D/R = \sqrt{3N}$

增大容量:

• 添加新信道

• 频率借用

• 蜂窝分裂

• 蜂窝扇区化

• 微蜂窝