关于物理层的传输媒体

  传输媒体作为计算机网络体系结构的第0层，它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，也称为传输介质或者传输媒介。传输媒体可以分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传播。网络传输媒介的质量的好坏会影响数据传输的质量，包括速率、数据丢包等。

常见的导向传输媒体有以下几种

1. 双绞线

  双绞线也成为双扭线，它的结构简单就是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。现在以太网基本上也都是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。如无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)、屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)，如果对整条双绞线电缆进行屏蔽则标记为x/UTP(x为F(Foiled)表明采用铝箔屏蔽层，x为S(braid Screen)表明采用铜编制层，x为SF，则表明在铝箔屏蔽层外边再加上金属编织层进行屏蔽)。更好的办法是给电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层（记为FTP或U/FTP，U表明对整条电缆不另增加屏蔽层）。如果在此基础上再对整条电缆添加屏蔽层，则有F/FTP（整条电缆再加上铝箔屏蔽层）或S/FTP（整条电缆再加上金属编制层进行屏蔽）。所有的屏蔽双绞线都必须有接地线。下图c表示5类线具有比3类线更高的绞合度（3类线的绞合长度是7.5-10cm，而5类线的绞合长度则是0.6-0.85cm）。绞合度越高的双绞线能够用越高的数据率传输数据。下图d所示的是三种10GBASE-T电缆，在抗干扰能力上，U/FTP比F/UTP好，而F/FTP则是最好的。
几种不同的双绞线

常用的常用双绞线的类别，带宽和典型应用表
绞合线类别 带宽 线缆特点 典型应用
3 16MHz 2对4芯双绞线 模拟电话：传统以太网（10Mbit/s）
5 100MHz 与3类线相比增加了绞合度 传输速率100Mbit/s（距离100m）
5E（超5类） 125MHz 与5类相比衰减更小 传输速率1Gbit/s（距离100m）
6 250MHz 改善了串扰等性能，可使用屏蔽双绞线 传输距离10Gbit/s（距离35-55m）
6A 500MHz 改善了串扰等性能，可使用屏蔽双绞线 传输速率10Gbit/s（距离100m）
7 600MHz 必须使用屏蔽双绞线 传输速率超过了10Gbit/s，距离100m
8 2000MHz 必须使用屏蔽双绞线 传输速率25Gbit/s或40Gbit/s，距离30m

  不论使用那种类型的双绞线，衰减都随频率的升高而增大，使用更粗的导线可以减小衰减，但增大了重量和成本。信号应该有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确的被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方式有很大的关系。

2.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以及绝缘保护套层所组成。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。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。
同轴电缆的结构

3.光缆

  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。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10^8 MHz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。
  光纤有多模光纤和单模光纤之分(多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输称为多模光纤，现在多模光纤已很少使用了)，单模光纤的衰耗较小，过去在2.5Gbit/s的高速率下可以传输数十公里而不需要中继器，现在随着光纤制造工艺的不断进步单根光纤的传播速率已经提高到10Gbit/s甚至40Gbit/s了，如果采用密集波分复用技术，例如160的波分复用那么一根光纤的传输速率就可以达到1.6Tbit/s。
  光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且传输损耗小、抗雷电和电磁干扰性能好、无串音干扰、保密性好、体积小、重量轻。现在光纤已经成为一种非常普及的传输媒体。

非导向传输媒体

  非导向传输媒体实际上就是利用自由空间来传播电磁波，目前利用无线信道进行信息传输是在运动中通信的唯一手段。无线传输可使用的频段很广例如:

  1. 短波波段: 即高频通信主要靠电离层的反射，通信距离远。但电离层的不稳定所产生的衰落现象以及电离层反射产生的多径效应使得通信质量较差。
  2. 微波波段: 微波的频率范围为300MHz-300GHz（波长1m-1mm），但主要使用2GHz-40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。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。卫星通信实际上也是一种微波接力通信，其频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰较小，通信比较稳定，但信号的传播时延较大。

信道复用技术

信道复用

  复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念，可以使多个用户共同使用一个共享信道来进行通信减少经济成本，下面介绍一些常见的复用技术。

FDM

最基本的复用就是频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）是给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个信号的方法。频分复用的的各路信号在同样的时间占用不用的带宽资源。组合多个信号的硬件称为复用器，分离这些信号的硬件称为分用器。

FDMA

FDMA（Frequency Division Multiple Access）频分复用多址简称为频分多址,强调这种复用信道可以让多个用户(可以在不用的地点)使用不同频率的信道接入到复用信道。

TDM

TDM（Time Division Multiplexing）时分复用,把多个信号复用到单个硬件传输信道，它允许每个信号在一个很短的时隙使用信道，接着的时隙再让下一个信号使用，时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧）。每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一路信号所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也称为等时（isochronous）信号。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，更适合于数字信号的传输。

TDMA

TDMA（Time Division Multiple Access）时分复用多址，简称为时分多址，和FDMA中的MA一样强调多址，这种信道可以让多个用户（可以在不同地点）在不同时隙接入到复用信道。

频分复用和时分复用

STDM

STDM（Statistic TDM）统计时分复用，是一种改进的时分复用，能明显的提高信道的利用率。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性的出现的，因此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。
统计时分复用
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。

WDM

WDM (Wavelength Division Multiplexing)波分复用就是光的频分复用，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。
波分复用

DWDM

DWDM (Dense WDM)密集波分复用，是波分复用的一种具体表现形式，DWDM的波长很小，不到2nm，甚至小于0.8nm。因此现在可以把几十路甚至一百多路的光载波信号复用到一根光纤中传输，现在人们谈论的WDM几乎全是DWDM系统。

CDM

CDM（Code Division Multiplexing）码分复用，码分复用最初用于军事通信，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。当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于个用户使用经过特殊挑选的不用码型各用户间不会造成干扰，
每个站被指派一个唯一的m bit的码片序列，如果要发送比特1就发送自己的码片序列，如果要发送比特0就发送该码片序列的二进制反码。CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅各不相同，并且还必须相互正交(orthogonal)就是向量S和T点的规格化内积(Inner Product)都是0，向量S和各站码片反码的向量内积也是0，另外任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1和该码片反码的向量内积是-1。在使用的系统中是使用伪随机序列。

宽带接入技术

  用户要连接到互联网就必须先连接到某个ISP，以便获得上网所需的IP地址，在初期用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP的。但从电话的用户线介入到互联网的速率最高只能达到56kbit/s。后面人们就认为只要接入互联网的速率远大于56kbit/s就是宽带，后来美国联邦通信委员会FCC认位只要双向速率之和超过200kbit/s就是宽带。后面宽带的标准也不断提高，2015年1月，FCC又对宽带进行了重新定义，将原定的宽带下行速率调整至25Mbit/s，原定的上行速率调整至3Mbit/s。
  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。

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模拟电话的用户线进行改造，使它能够承受宽带数字业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300 ~ 3400Hz内，但用户线本身实际可以通过1MHz频率的信号，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上网用户使用。由于用户当时上网主要是从互联网下载各种文档，而向互联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”由此得出。
  这种接入的缺点是对用户线的质量有较高的要求，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所能得到的最高数据率传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关，线路噪声越大宽带接入的速度就越低。而ADSL最大的好处就是可以利用现在电话网中的用户线，而不用重新布线。
DMT技术频谱分布
  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多种。我国采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。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。ADSL不能保证固定的数据率。
ADSL接入网组成
  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（DSL Access Multiplexer），用户线和用户家中的一些设备。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。

光纤同轴混合网(HFC网)

  光纤同轴混合网（HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax）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，采用了模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传播。后经有线电视网改造，变成了现在的光纤同轴混合网（HFC网）。为了提高可靠性和信号的质量，HFC网把原来有线电视网中的同轴电缆主干部分改换成光纤吗，光纤的头端连接到光纤节点（fiber node）在光纤节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。连接到一个光纤节点的典型用户数是500左右，但不超过2000。
HFC网
  原来的有线电视网最高传输频率是450MHz，并且仅用于电视信号的下行传输。但现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带，根据有线电视频率配置标准GB/T 17786-1999目前我国HFC网的频带划分如下图。
HFC网频带划分
  并且要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒(set-top box)的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。还需要增加一个为HFC网使用的电缆调制解调器(cable modem)解决共享信道中可能出现的冲突问题，电缆调制解调器可以做成一个单独的设备也可以做成内置式的安装在电视机的机顶盒里。
  HFC的优点是覆盖面很广，并且带宽也很高，缺点是必须对现有单向传输的有线电缆进行改造，使其变成可以双向通信的电缆，用户家需要增加一个机顶盒。此外为解决信号传输时的衰减问题，在有线电缆中每隔一定距离就要加一个放大器，大量放大器的接入使整个网络的可靠性下降。我国利用HFC接入互联网并未得到普遍使用。

FTTx技术

  FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。FTTx是解决宽带接入最理想的方案，因为光纤可传送的数据率很高，并且通讯质量最好，现在我国宽带接入的主流已经是光纤接入了。

FTTx表示Fiber To The…（光纤到…），如：
光纤到户FTTH（Fiber To The Home）：光纤一直铺设到用户家庭。
光纤到小区FTTZ（Fiber To The Zone）：光纤铺设到小区。
光纤到大楼FTTB（Fiber To The Building）：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb）：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
光纤到桌面FTTD（Fiber To The Desk）：光纤接入到用户桌面。

  一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效的利用光纤资源，在光纤和广大用户之间，还需要铺设一端中间的转换装置即光配线网ODN（Optical Distribution Network），使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。如下图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，运营成本和管理成本都很低。无源光配线网常称为无源光网络PON（Passive Optical Network）
无源光配线网组成

  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。
  OLT则给各ONU分配适当的光功率。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，主流的有以下两种。

  • 以太网无源光网络EPON（Ethernet PON）。EPON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。优点是：与现有以太网兼容性好，成本低，扩展性强，管理方便。
  • 吉比特无源光网络GPON（Gigabit PON）。GPON采用通用封装方法GEM（Generic Encapsulation Method），可承载多业务，对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性比EPON好。GPON成本稍高。