计算机网络之物理层

物理层的主要任务为“确定与传输媒体接口相关的一些特性”,机械特性、电气特性、功能特性和工程特性。

通信方式

  1. 单向通信(单工通信):只有一个方向的通信而没有方向的。
  2. 双向交替通信(半双工通信):双方都可以发送消息,但是不能同时发送。
  3. 双向同时通信(全双工通信):双方可以同时发送和接受消息。

信道复用

频分复用和时分复用

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽(频率带宽)资源。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。

频分复用和时分复用

统计时分复用

统计时分复用( Statistic TDM )是一种改进的时分复用,明显地提高信道的利用率。STDM 把用户数据集中起来,然后一起发送,所以 STDM 帧不是固定分配时隙,而是按需动态分配,这样就能提高线路的利用率。

统计时分复用

波分复用

波分复用( Wavelength Division Multiplexing )是光的频分复用。使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号,这样光纤的传输能力就可以成倍的提高了。

波分复用

码分复用

在 CDMA 中,每个比特时间再划分成 m 个短的间隔,称为码片。码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。通常 m 的值是 64 或者 128 。下面的例子简单起见,设 m 为 8 。

任意两个码片都是正交的,当然和反码也是正交的。即 $\bf{S\cdot T = 0}$ 和 $\bf{S\cdot \overline{T} = 0}$ 。

任意码片与自己的规格化内积都是 1 ,和自己反码的内积都是 -1 。

$$
\mathbf{S\cdot S} = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^m S_i^2 = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^m\left(\pm 1\right)^2 = 1
$$

同理

$$
\mathbf{ S\cdot \overline S }= -1
$$

举个例子,有四种码片,分别为 A、B、C 和 D ,下面的例子可以证明其余信号不会影响接收端接受并翻译出发送的信号 (1, 1, 0, 1, 1, -1)。

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)

上述信号如下图表示:

CDMA

发送的 6 个分信号。

$$
\begin{equation}\begin{split}
\mathbf{S_1} &= C &= \left(-1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1\right)\\
\mathbf{S_2} &= B + C &= \left(-2, 0, 0, 0, +2, +2, 0, -2\right)\\
\mathbf{S_3} &= A + \overline B &= \left(0, 0, -2, +2, 0, -2, 0, +2\right)\\
\mathbf{S_4} &= A + \overline B + C &= \left(-1, +1, -3, +3, +1, -1, -1, +1\right)\\
\mathbf{S_5} &= A + B + C + D &= \left(-4, 0, -2, 0, +2, 0, +2, +2\right)\\
\mathbf{S_6} &= A + B +\overline C + D&= \left(-2, -2, 0, -2, 0, -2, +4, 0\right)
\end{split}\end{equation}
$$

发送 $C$ 就代表 1 ,$\overline C$ 就是 -1 ,不包含 $C$ 就是 0 。

$$
\begin{equation}\begin{split}
\mathbf{S_1\cdot C} &= \left[1+1+1+1+1+1+1+1\right]/8 &= 1\\
\mathbf{S_2\cdot C} &= \left[2+0+0+0+2+2+0+2\right]/8 &= 1\\
\mathbf{S_3\cdot C} &= \left[0+0+2+2+0-2+0-2\right]/8 &= 0\\
\mathbf{S_4\cdot C} &= \left[1+1+3+3+1-1+1-1\right]/8 &= 1\\
\mathbf{S_5\cdot C} &= \left[4+0+2+0+2+0-2+2\right]/8 &= 1\\
\mathbf{S_6\cdot C} &= \left[2-2+0-2+0-2-4+0\right]/8 &= -1\\
\end{split}\end{equation}
$$

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