第2章-计算机网络通信原理-2

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,网 络 技 术,顾 军， 张 瑾,计算机学院,模拟数据,模拟信号,放大器,调制器,模拟数据,数字信号,PCM,编码器,数字数据,模拟信号,调制器,数字数据,数字信号,数字,发送器,2.5,数据编码技术,基带信号,（即基本频带信号）,来自信源的信号。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。,基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送,传输距离比较短。例如：以太网,2.5.1,数字信号模拟化调制,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。如果要经过模拟传输系统，首先必须对基带信号进行,调制,(modulation),。,频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调,例如：通过电话模拟信道传输,频带信号,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（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。,数字信号,载波,几种最基本的调制方法,最基本的二元制调制方法有以下几种：,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。,调制的方法是，选取一个适合在线路上传输的正弦波作为载波，令载波的某些特征随基带信号的变化而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2.5.2,模拟信号数字化编码,脉冲编码调制（,PCM,）是波形编码中最重要的一种方式。现在的数字传输系统大多采用这一体制。,奈氏首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须进行两次采样。香农于,1949,年完全解决了这个问题。香农由此被成为信息论的创始人。,脉冲控制理论,也迅速发展起来。,Nyquist(,奈奎斯特,),理论：,在理想的无噪声信道，若,f,是传输媒体的最大传输频率,采样频率为,2*f,时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号。,采样定理,信息论的,香农（,SHANNON,）,采样定理：如果把随时间变化的信号波形用该信号所含最高频率,2,倍的频率进行采样，就可以从采样值通过插补正确地得到原信号的波形。,模拟话音,采样时钟,PAM,信号,PCM,信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,编码后的信号称为,PCM,（,Pulse Coded Modulation,）信号（脉码调制信号）,-,话音信道带宽, 2,倍话音最大频率,),-,量化级数：,256,级,(8,位二进制码表示,),-,数据率：,8000,次,/s*8bit = 64Kb/s,每路,PCM,信号的速率,= 64000bps,PCM,采样信号：基于,nyquist,理论,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM,脉冲（,采样,）,PCM,脉冲（,量化,）,有量化差错,011100011011001100,PCM,输出（,编码,）,数字载波标准,用数字信号传输语音和数据的时分复用标准,为了有效地利用传输线路，通常总是将多个话路的,PCM,信号用时分复用,TDM,的方法封装成帧格式，然后再送往线路上一帧接一帧的传输。,T-,标准,北美、日本,E-,标准,欧洲、中国、南美,T1,帧,channel,#1,channel,#2,. . . . . . .,channel,#24,定帧位,193 bits,数据率,= (24x(7+1) +1 bit)/125,m,s = 1.544 Mbps,8 bit,24,路复用,125,m,s,多条,T1,线路复用到更高速率的载波,E1-,帧,0,1,2,16,31,125,m,s = 32,时隙,= 2.048 Mbps,帧同步,信令信道,30,个话音信道,+ 2,个控制信道,E1,速率,= (32x8bit)/125,m,s = 2.048 Mb/s,30,路复用,速率标准不统一，影响国际范围的高速数据传输,不是同步传输。为了节约经费，采用的是准同步方式。低速时收发双方时钟频率的微小差异影响不大，高速时问题就严重了。,同步光纤网,SONET,同步数字系列,SDH,PCM,数字传输系统的缺点：,2.5.3,数字数据编码,基带传输在基本不改变数字数据信号频带（波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率与系统效率。,（,1,）不归零制：用高电平（正电压）表示，用低电平（负电压）表示。,缺点：,难以判断一位的结束和另一位的开始,连续传送,0,或者,1,，那么在单位时间内将产生累积的支流分量，能使设备连接点产生电腐蚀或者损坏。,（,2,）逢“,1”,变化的,NRZ,码（,DNRZ,）,DNRZ,码是一种,NRZ,码的改进形式，它是用信号的相位变化来表示二进制数据的，即在每位开始时，逢“,1”,电平跳变，逢“,0”,电平不跳变。,DNRZ,码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。,（,3,）曼彻斯特编码：是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。,方法：将每一个码元再分成两个相等的间隔，码元,1,前一间隔为高电平后一间隔为低电平；码元,0,前一间隔为低电平，后一间隔为高电平。,优点：接收端易接收同步信号，同时可根据信号判断是否违例（出错）。缺点：所占频带宽度比原始信号增加一倍。应用：以太网,（,4,）差分曼彻斯特编码：,编码规则是：若码元为,1,，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为,0,，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。,优缺点：差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,应用：令牌环网,2.6,多路复用技术,多路复用：在一个物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。,共享信道,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,信道,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,复用,分用,(a),不使用复用技术,(b),使用复用技术,2.6.1,频分复用,FDM,（,Frequency Division Multiplexing,）,信道带宽分割：,在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同,(,或略宽,),的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。,频谱搬移：,多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。,频分多路复用主要应用于模拟信号,。,频率,时间,频率,1,频率,2,频率,3,频率,4,频率,5,CH2,CH1,CH3,原始带宽,CH1,CH2,CH3,频分后带宽,MUX,CH1,CH2,CH3,带宽复用,f,2.6.2,时分复用,TDM,（,Time Division Multiplexing,）,若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用,TDM,技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A,A,A,A,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,A2,A1,A3,原始信号,D2,D1,D3,数字化信号,MUX,复用后数据,时隙,1,2,3,4,D3,D2,D1,时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4,个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,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，用户对,分配到的子信道的利用率一般是不高的。,统计时分复用,STDM(Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3,个,STDM,帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,2.6.3,波分复用,WDM,（,Wavelength Division Multiplexing,）,在光纤信道上使用的频分复用的一个变种。用来实现使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。目前已经做到一根光纤上复用,80,路甚至更多路数的光载波信号。,棱柱,/,衍射光栅,F2,F1,F3,光谱,F1,F2,F3,共享光纤的光谱,光纤,2,光纤,3,光纤,1,共享光纤,采用无源设备，更可靠,2.6.4,码分复用,CDM(Code Division Multiplexing),码分多址,CDMA (Code Division Multiple Access),各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。,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。,3G,的技术基础：,CDMA2000,，,WCDMA,，,TD-SCDMA,，,WIMAX,每一个比特时间划分为,m,个短的间隔，称为,码片,(chip),。通常,m,是,64,或者,128,。,码片序列,(chip sequence),每个站被指派一个唯一的,m,bit,码片序列。,如发送比特,1,，则发送自己的,m,bit,码片序列。,如发送比特,0,，则发送该码片序列的二进制反码。,例如，,S,站的,8 bit,码片序列是,00011011,。,发送比特,1,时，就发送序列,00011011,，,发送比特,0,时，就发送序列,11100100,。,惯例将,0,写为,-1,，将,1,写为,+1,S,站的码片序列：,(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),CDMA,的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相,正交,(orthogonal),。,在实用的系统中是使用,伪随机码序列,。,码片序列的正交关系,令向量,S,表示站,S,的码片向量，令,T,表示其他任何站的码片向量。,两个不同站的码片序列正交，就是向量,S,和,T,的规格化,内积,(inner product),都是,0,：,(2-4),码片序列的正交关系举例,令向量,S,为,(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),，向量,T,为,(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1),。,把向量,S,和,T,的各分量值代入,(2-4),式就可看出这两个码片序列是正交的。,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,。,一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是,1,。,正交关系的另一个重要特性,CDMA,数据通信过程示例,假定在一个,CDMA,系统中有很三个站,X,、,S,、,T,在互相通信，并且所有的站利用全球定位系统,GPS,对所发送的码片序列进行同步，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。,设各自的码片向量为,X,、,S,、,T,，均有三种工作状态：,（,1,）发送比特,1,，即发送本站的码片序列；,（,2,）发送比特,0,，即发送该站码片序列的二进制反码；,（,3,）什么也不发送（相当于没有数据发送）。,CDMA,的工作原理,(,m,=8),S,站的码片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m,个码片,t,S,站发送的信号,S,x,T,站发送的信号,T,x,总的发送信号,S,x,+,T,x,规格化内积,S,S,x,规格化内积,S,T,x,数据码元比特,发,送,端,接,收,端,S, (,Sx,+,Tx) =,S,Sx,+,S,Tx,出现差错,0,1,0,0,1,0,1,0,0,还原后,的数据,t,接收到的,失真信号,0,1,0,0,1,1,1,0,0,t,发送的,基带信号,t,采样时刻,数据经过模拟传输系统后会出现差错,2.7,差错控制技术,2.7.1,差错产生的原因,热噪声,是由传输介质导体的电子热运动产生的,热噪声时刻存在，幅度较小且强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。,热噪声引起的差错称,随机差错,。,孤立的、个别的,与热噪声相比，,冲击噪声,幅度较大，是引起传输差错的主要原因。,冲击噪声的持续时间要比数据传输中的每比特发送时间要长（如外界磁场的变换、电源开关的跳变等），因而冲击噪声会引起相邻多个数据位出错。,冲击噪声引起的传输差错称为,突发差错,。,突发的、连续的,为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错控制措施。,差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，将差错限制在尽可能小的允许范围内。,常用的差错控制方法有反馈检测、自动请求重发（,ARQ,）和前向纠错（,FEC,）。,2.7.2,差错控制方法,反馈检测方法又称回送校验法,双方在进行数据传输时，接收方将接收到的数据重新发回发送方，由发送方检查是否与原始数据完全相符。如不相符，则发送方发送一个控制信息通知接收方删去出错的数据。并重新发送该数据；如相符，则发送下一个数据。,特点：原理简单、实现容易、可靠性强，但开销大，信道利用率低。,自动请求重发简称,ARQ(Automatic Repeat reQuest),发送方将要发送的数据附加上一定的检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则返回请求重发的信息，发送方在收到信息后，重新传送数据；如没有发现差错，则发送下一个数据。,为保证通信正常进行，还需引入计时器和帧编号。,特点：使用检错码（常用的有奇偶校验码和,CRC,码等）、必须是双向信道、发送方需设置缓冲器。,前向纠错简称,FEC(Forward Error Correction),发送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一并发送，接收方则根据纠错码对数据进行差错检测，如发现差错，由接收方进行纠正。,特点：使用纠错码（纠错码编码效率低且设备复杂）、单向信道、发送方无需设置缓冲器。,原理：,发送方对准备传输的数据进行抗干扰编码，即按某种算法附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。,接收方收到数据后进行校验，即检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生。,差错控制编码分检错码和纠错码两种,检错码是能自动发现差错的编码,纠错码是不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。,2.7.3,差错控制编码,1.,奇偶校验码,奇偶校验码是一种最简单的检错码。其原理是：通过增加冗余位来使得码字中“,1”,的个数保持为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。,例如，偶校验：,1101010,0,，,1101101,1,在实际使用时，奇偶校验可分为以下三种方式。,(1),垂直奇偶校验,(2),水平奇偶校验,(3),水平垂直奇偶校验,2.,循环冗余检验码,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了,循环冗余检验,CRC,的检错技术。,在发送端，先把数据划分为组。假定每组,k,个比特。,假设待传送的一组数据,M,= 101001,（现在,k,= 6,）。我们在,M,的后面再添加供差错检测用的,n,位,冗余码,一起发送。,帧检验序列,FCS,在数据后面添加上的冗余码称为,帧检验序列,FCS (Frame Check Sequence),。,循环冗余检验,CRC,和帧检验序列,FCS,并不等同。,CRC,是一种常用的,检错方法,，而,FCS,是添加在数据后面的,冗余码,。,FCS,可以用,CRC,这种方法得出，但,CRC,并非用来获得,FCS,的唯一方法。,冗余码的计算,用二进制的模,2,运算进行,2,n,乘,M,的运算，这相当于在,M,后面添加,n,个,0,。,得到的,(,k,+,n,),位的数除以事先选定好的长度为,(,n,+ 1),位的,除数,P,，得出,商,是,Q,而,余数,是,R,，余数,R,比除数,P,少,1,位，即,R,是,n,位。,CRC,码的编码方法,模,2,加减,:,异或逻辑,0,0=0;,0,1=1;,1,0=1;,1,1=0.,模,2,乘,:,模,2,除,:,1 0 1 0 1 0 1/ 1 0 0 0 0, 1 0 1 1 0 1,1 0 1 0 0 1 0,0 0 0 0 0 0 0,1 0 1 0 1 0 0,1 0 0 0 1 0 1 0 1,0 1,1 0 1,冗余码的计算举例,现在,k,= 6,M,= 101001,。,设,n,= 3,除数,P,= 1101,，,被除数是,2,n,M,= 101001000,。,110101,Q,(,商,),P,(,除数,),1101 101001000,2,n,M,(,被除数,),1101,1110,1101,0111,0000,1110,1101,0110,0000,1100,1101,001 ,R,(,余数,),，作为,FCS,冗余码的计算举例,冗余码的计算举例,模,2,运算的结果是：,商,Q,= 110101,，,余数,R,= 001,。,把余数,R,作为,冗余码,添加在数据,M,的后面发送出去。发送的数据是：,2,n,M,+,R,即：,101001,001,，共,(,k,+,n,),位。,接收端对收到的每一帧进行,CRC,检验,(1),若得出的余数,R,= 0,，则判定这个帧没有差错，就,接受,(accept),。,(2),若余数,R,0,，则判定这个帧有差错，就,丢弃,。,但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。,只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数,P,，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。,将收到的,CRC,码用约定的,生成多项式,P(x),去除,如果码字无误则余数应为,0,如果有某一位出错,则余数不为,0,不同位数出错余数不同。,几种已成为标准的生成多项式,CRC-12 x,12,+x,11,+x,3,+x,2,+x+1,CRC-16 X,16,+x,15,+x,2,+1,CRC-CCIT X,16,+x,12,+x,5,+1,CRC-32,例,: M(x)= x,3,+ x,2,= 1100,M(x),x,3,=,x,6,+ x,5,= 1100000,P(x)= x,3,+ x +1= 1011,M(x),x,3,1100000 010,P(x) 1011 1011,M(x),x,3,+R(x) = 1100000 +010,= 1100010,编好的循环校验码称为,(7,4),码,=,=,1110+,