数据通信

课程编号:22020290

课程教师:殷亚凤

开设学期:第四学期(选修)

第一章&第二章 概论

1.1 现代企业的数据通信和网络构成

三股来自不同方向的推动数据通信和网络设施发展的力量:

  • 通信量的上升
  • 新服务的发展
  • 技术的进步

企业通信的三层模型:

  • 应用
  • 企业服务
  • 基础设施

1.2 通信模型

模型中包含以下要素:

  • 源点(source)
  • 发送器(transmitter)
  • 传输系统(transmission system)
  • 接收器(receiver)
  • 终点(destination)

通信的任务:

  • 传输系统的利用
  • 寻址
  • 接口
  • 路由选择
  • 产生信号
  • 恢复
  • 同步
  • 报文的格式化
  • 交换的管理
  • 安全措施
  • 差错检测和纠正
  • 网络管理
  • 流控制

1.3 数据通信

  • 传输和传输媒体
  • 通信技术
  • 传输效率

1.4 网络

  • 广域网
    • 电路交换
    • 分组交换
    • 帧中继
    • 异步传递方式(ATM)
    • 以太网和网际协议(IP)
  • 局域网
  • 无线网络

1.5 因特网

由ARPANET演变而来,最终迎来了传输控制协议(TCP)和IP协议,为最终的TCP/IP协议族奠定了基础。

要素:

  • 主机
  • 网络
  • 路由器
  • IP数据报/IP分组
  • IP地址

体系结构:

  • 交换局(Central Office, CO)
  • 用户驻地设备(CPE)
  • 因特网服务提供者(ISP)
  • 网络接入点(NAP)
  • 网络服务提供者(NSP)
  • 汇接点(POP)

2.1 协议体系结构的必要性

两个著名的协议体系结构:

  • TCP/IP协议族
  • 开放互联系统(OSI)参考模型

通信双方具有互相对应的层次,或者说对等层,两个通信系统之间才能完成通信。对等层之间的通信受限于一组规则或规约的格式化数据块完成,这些规则或规约称为协议。协议有以下几个关键要素:

  • 语法:考虑有关数据块的格式
  • 语义:包含用于相互协调及差错处理的控制信息
  • 定时关系:包含速率匹配和数据排序

2.2 简单的协议体系结构

三个相对独立的通信任务的层次:

  • 网络接入层:关心计算机与所连网络之间的数据交换
  • 运输层:确保所有数据能顺利到达目的应用程序,并且在到达时与它们在发送时的顺序是一致的
  • 应用层:包含用于支持各种不同的用户应用程序的逻辑

在这个三层模型中,需要使用两级地址。网络上的每台计算机都必须有一个唯一的网络地址,它的作用是让网络能够将数据递交到正确的计算机上。计算机上的每个应用程序也必须有一个在计算机内部唯一的地址,它的存在使运输层能够在一台计算机上支持多个应用程序。后一种地址称为服务访问点(SAP)或端口,言外之意就是每个应用程序都要单独访问运输层的服务。

在每一层,互相协作的对等实体只关心它们相互之间的通信。

为了控制着易操作过程,除了用户数据之外,还必须传送一些控制信息。运输层会为数据块加上运输首部,其中的内容是协议控制信息。为数据附上控制信息的过程称为封装。来自上一层的数据和控制信息结合在一起称为协议数据单元(PDU),此时被称为运输PDU,通常也称为报文段。在这个首部中可能存放有以下几部分内容:

  • 源端口:指向发送数据的应用程序
  • 目的端口:目的运输层收到报文段后知道应该交付给哪个应用程序
  • 序号:即使数据不按顺序到达目的运输实体也可以按序重排
  • 差错检测码:也称为检验和帧检验序列

接下来运输层将每个报文段分别递交给网络层,并命令网络层将其传输到目的计算机。此时,网络接入协议(NAP)在运输层送来的数据上附加一个网络接入首部,从而生成网络接入PDU,通常也称为分组。这个首部中的大致内容有:

  • 源计算机地址
  • 目的计算机地址
  • 功能请求:NAP希望网络使用某种特殊功能,如优先级

2.3 TCP/IP协议体系结构

TCP/IP中将网络分为5个相对独立的层:

  • 物理层:双绞线、光纤、卫星、地面微波
  • 网络接入层/数据链路层:以太网、WiFi、ATM、帧中继
  • 网际层:使用网际协议(IP):IPv4/IPv6、ARP
  • 主机对主机层/运输层:TCP/UDP
  • 应用层:SMTP、FTP、SSH、HTTP等

除了TCP之外,TCP/IP协议族中还有一个常用的运输层协议:用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)。UDP不保证交付的正确性,不维护到达时的顺序,也不管是否有重复到达。UDP让一个进程可以做到通过最少的协议机制向另一个进程发送报文。

具体介绍完全是常识,略。

2.4 协议体系结构内的标准化

较低的层次需要考虑更多的细节问题,而较高的层次则与这些细节无关。每一层都向上一层提供服务,并要实现与另一个系统上的对等层交互的一套协议。每一层所要求的标准化工作的本质包括3个关键元素:

  • 协议规约(protocol specification):位于不同系统中的同一层的两个实体之间通过协议互相合作并且交互作用
  • 服务定义(service definition):除了在指定的某一层上操作的一个或多个协议之外,每一层提供给上一层的服务也需要标准化
  • 寻址(addressing):每一层都向上一层的多个实体提供多种服务。这些实体的引用需要通过端口或者服务访问点(SAP)。

服务原语:

  • 请求:由用户发出的服务原语将调用某些服务,并传递必要的参数来指明所请求的服务
  • 指示:由服务提供者发出的服务原语,用于一下两者之一:
    • 指示连接上的对等服务用户已调用了某规程,并提供了相关的参数
    • 向服务用户通知一个由提供者激活的动作
  • 响应:由服务用户发出的服务原语,用于应答或完成某些规程,这些规程在早些时候已经由向该用户发出的指示调用
  • 证实:由服务提供者发出的服务原语,用于应答或完成某些规程,这些规程在早些时候已经由服务用户的请求调用

2.5 传统的基于因特网的应用程序

  • 简单邮件传送协议(SMTP)
  • 文件传送协议(FTP)
  • 安全外壳(SSH)

2.6 多媒体

多媒体术语:

  • 媒体:信息的格式,包括文本、图像、音频、视频
  • 多媒体:涉及到文本、图形、话音和视频的人机交互,也指保存多媒体内容的存储设备
  • 流媒体:指来自因特网或Web的,一经计算机接收就立刻开始播放,或在几秒内开始播放的多媒体文件

多媒体应用:

  • 信息管理
  • 娱乐
  • 电信
  • 信息出版/发布

多媒体技术:

  • 压缩
  • 通信/网络技术
  • 协议
  • 服务质量(QoS)

2.7 套接字编程略

第三章 数据传输

3.1 概念和术语

3.1.1 传输术语

  • 导向媒体:电磁波在导线引导下沿某一物理路径前进。
  • 非导向媒体(无线传播):提供了传输电磁波的方式,但并不引导它们传播的方向。
  • 直连链路(direct link):两个设备之间,除了一些用于增加信号强度的放大器和转发器之外,没有任何其他中间设备存在。
  • 点对点:导向媒体在两个设备之间提供了一条直连链路,且仅被这两个设备共享。
  • 多点:两个以上的设备共享同一传输媒体。
  • 单工(simplex):信号仅向一个方向传输;
  • 半双工(half-duplex):两个站点都可以发送信号,但是同一时间只允许一方发送;
  • 双工(full-duplex):媒体在同一时间向两个方向传送信号。

3.1.2 频率、频谱和带宽

时域概念

  • 如果经过一段时间,信号的强度变化模式是平滑的,或连续的,这种信号就是模拟信号

  • 如果一段时间内信号强度保持某个常量值,在下一时段又以离散的形式变化到另一个常量值,这种信号称为数字信号

  • 最简单的信号是周期信号,指经过一段时间,不断重复相同信号模式的信号。

  • 否则该信号是非周期的

正弦波是最基本的周期信号,简单正弦波可以用3个参数表示,分别是:

  • 峰值振幅\( A \):单位伏特(V);
  • 频率\( f \):赫兹(Hz)或每秒的周数(周期\( T = 1/f \));
  • 相位\( \phi \)。

正弦波一般可以表示如下: \[ s(t) = A \sin(2\pi ft + \phi) \]

定义信号波长(wavelength)\( \lambda \)为信号循环一个周期所占的空间长度,即信号的两个连续周期上的相位相同的两点之间的距离。假设信号运动速率为\( v \),周期为\( T \),则\( \lambda = vT \),或\( \lambda f = v \)。

频域概念

  • 当一个信号的所有频率成分都是某个频率的整数倍时,后者称为基频(fundamental frequency)。基频的每个倍数频率称为该信号的谐频(harmonic frequency)。
  • 整个信号的周期等于基频周期。

对任何一个信号来说,都存在一个时域函数\( s(t) \),给出了每时每刻信号的振幅值;同样存在一个频域函数\( S(f) \),给出了信号的频率成分的峰值振幅。

信号的频谱(spectrum)指它所包含的频率范围(如\( f \sim 3f \))。信号的绝对带宽(absolute bandwidth)是指它的频谱宽度(如\( 2f \)),对许多信号而言,其绝对带宽是无限的。但是,信号的绝大部分能量都集中在相对窄的频带范围内,这个频带称为有效带宽(effective bandwidth),或者简称为带宽

如果一个信号包含频率为0的成分,那么这个成分就称为直流(dc)或恒量成分。如果没有直流成分,那么信号的平均振幅就为0。

数据率和带宽之间的关系

振幅为\( A \)或\( -A \)的方波的频率成分表达式如下: \[ s(t) = A \times \dfrac{4}{\pi} \times \sum_{k = 2n+1} \dfrac{\sin(2\pi k ft)}{k} \] 因此,这个波形具有无限个频率成分,并显然是无限带宽的,但绝大多数的能量集中在最前面的几个频率成分中。

任何数字波形都具有无限的带宽,如果试图将这个波形作为一个信号,让它在某种媒体上传输,该媒体自身的特性将限制被传输信号的带宽。更进一步说,对于任何一种媒体,传输带宽越宽,花费越高。因此,数字信息不得不被近似为有限带宽的信号,而带宽的限制也引起了失真。

信号的数据率越高,其有效带宽就越宽。换一个角度看,传输系统的带宽越宽,则能够在这个系统上传输的数据率就越高。

另一方面,如果将信号的带宽视为以某频率为核心组成,这个频率就称为中心频率。中心频率越高,带宽就可能越宽,数据率就可能越高。

3.2 模拟和数字数据传输

  • 数据:传达某种意义或信息的实体;
  • 信号:数据的电器或电磁表示方式;
  • 发送信号:信号沿适当媒体的物理传播。

3.2.1 模拟数据和数字数据

  • 模拟数据:在一段时间内具有连续的值,如音频;
  • 数字数据:文本、字符串。

视频既可以是模拟的,也可以是数据的。

3.2.2 模拟信号和数字信号

  • 模拟信号:连续变化的电磁波,根据它的频谱可以在不同类型的媒体上传播;
  • 数字信号:电压脉冲序列,电压脉冲可以在导向媒体上传输。

传输数字信号的主要优势在于它普遍比传输模拟信号更加便宜,而且比较不易受噪声干扰。其主要缺点是比传输模拟信号更容易受到衰减的影响。

3.2.3 模拟传输和数字传输

  • 模拟传输是传输模拟信号的方法,不考虑信号的内容。在传输了一段距离之后,模拟信号会变得越来越弱。为了完成远距离传输,模拟传输系统包括了放大器,用于增强信号能量,也增强了噪声成分。
  • 数字传输假定信号代表了一个二进制的值,在衰减、噪声或其他损伤威胁到数据的完整性之前,数字信号只能传送很短的距离。要达到比较远的距离,就必须使用转发器。转发器接收到数字信号,将其恢复为0、1模式,然后重新传输一个新的信号。

采用数字信号发送技术的理由如下:

  • 数字技术:大规模集成电路的出现使数字电路的体积和价格都不断下降。
  • 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都不会累积。
  • 容量利用率
  • 安全和保密
  • 综合性:通过数字化处理模拟数据和数字数据,所有的信号具有相同的格式并且数理方法也相同。

3.2.4 异步传输和同步传输 略

3.3 传输损伤

3.3.1 衰减

随着传输距离的增长,信号强度会不断减弱。对导向媒体来说这种减弱(衰减)通常是呈指数级变化的,因此常常可以表示为单位距离的常数分贝值。对于非导向媒体,衰减是距离的复杂函数,并与大气的成分有关。传输工程需要由三个方面的考虑:

  1. 接收到的信号必须有足够的强度;
  2. 信号电平必须比噪声电平高某个程度;
  3. 频率越高,衰减越严重,并将导致失真。

第三个问题称为衰减失真。在典型专用线路上,衰减是频率的一个函数。以分贝为单位的相对衰减值为 \[ N_f = -10 \lg \left( \dfrac{P_f}{P_{1000}} \right) \] 其中\( P_{1000} \)为1000 Hz时的衰减值。

3.3.2 时延失真

接收到的信号因为其频率成分延迟的不同而产生了失真,这个影响称为时延失真。时延失真对数字信号尤为严重,某个比特的一些频率成分会溢出到其他比特上,因此会产生码间串扰。它是传输信号上最高比特速率受限的一个主要因素。

3.3.3 噪声

噪声可分为四类:

  • 热噪声
  • 互调噪声
  • 串扰
  • 冲激噪声

热噪声是由电子的热运动造成的,存在于所有的电子设备和传输媒体中,并且是温度的函数。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。在任何设备和导体中,1 Hz带宽内存在的热噪声的值都是 \[ N_0 = kT \] 其中\( N_0 \)为噪声功率密度(W/Hz);\( k = 1.38 \times 10^{-23} \) J/K 为玻尔兹曼常量;\( T \)为温度,以开尔文为单位(绝对温度)。

因此,在\( B \) Hz带宽内的热噪声用瓦来表示就是 \[ N = kTB \] 或者,用分贝瓦表示为 \[ N = 10 \lg k + 10 \lg T + 10 \lg B \]

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。会产生额外的信号,其频率为两个原频率之和或之差,也可能是若干倍的原频率。

串扰的产生是由于载有多路信号的相邻双绞线之间发生电耦合(同轴电缆之间也会发生);或者微波天线接收到了不需要的信号。通常,串扰噪声值的量级和热噪声的一样(或更少)。

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系统本身的故障和缺陷。

3.4 信道容量

在给定条件下,某一个通信通道或者说信道上所能达到的最大数据传输速率称为信道容量(channel capacity)。

  • 数据率:数据能够通信的速率,单位比特每秒(bps);
  • 带宽:在发送器和传输媒体的特性线之下的带宽;
  • 噪声:通信通路上的平均噪声电平;
  • 误码率:差错发生率。

3.4.1 奈奎斯特带宽

如果被传输信号是二进制的(两个电平),那么\( B \) Hz能够承载的数据率是\( 2B \) bps。对多电平信号的发送,奈奎斯特公式为 \[ C = 2B \log_2 M \] 其中\( M \)是离散信号的个数或电平的个数(例如,使用4个电平,每个信号单元可以表示2bit)。

3.4.2 香农容量公式

在噪声存在的情况下,给定一个噪声值,就能通过提高信号强度来提高正确接收数据的能力。涉及的是主要参数是信噪比(SNR, S/N),指传输过程中某一点的信号功率与噪声中包含的功率之比。为了使用方便,通常用分贝来表示,即 \[ \text{SNR}_{\text{dB}} = 10 \lg \dfrac{P_{signal}}{P_{noise}} \] SNR的值越高,表示信号的质量越好,所需中间转发器的数量越少。

香农得出的结果是,用bps来表示的信道的最大容量遵从下式: \[ C = B \log_2 (1 + \text{SNR}) \] 称为无误码容量

定义数字传输的频谱效率带宽效率)为每赫兹带宽可支持的每秒比特数。最大频谱效率为 \[ C/B = \log_2 (1 + \text{SNR}) \ (\text{bps/Hz}) \]

3.4.3 表达式 \( E_b / N_0 \)

每比特信号的能量与每赫兹噪声功率的密度之比,\( E_b / N_0 \),更便于判别数字数据率和误码率,也是度量数字通信系统性能好坏与否的标准。

假设有一个(模拟/数字)信号,包含以比特率\( R \)传送的二进制数据,每个信号的比特能量值由\( E_b = ST_b \)给出,\( S \)为信号功率,\( T_b \)为发送1bit所需的时间;数据率为\( R = 1 / T_b \),因此 \[ \dfrac{E_b}{N_0} = \dfrac{S/R}{N_0} = \dfrac{S}{kTR} \] 或者用分贝表示为 \[ \left( \dfrac{E_b}{N_0} \right)_{\text{dB}} = S_{\text{dBW}} - 10 \lg R - 10 \lg k - 10 \lg T \]

\( E_b / N_0 \)与SNR之间的关系如下: \[ \dfrac{E_b}{N_0} = \dfrac{1}{N_0} \times \dfrac{S}{R} \] 当带宽为\( B \)时,有 \[ \dfrac{E_b}{N_0} = \dfrac{B}{N} \times \dfrac{S}{R} \]

此外,根据香农定理的结果,有 \[ \dfrac{E_b}{N_0} = \dfrac{S}{N} \times \dfrac{B}{R} = (2^{C/B} - 1) \dfrac{B}{R} \] 假设\( R = C \),则 \[ \dfrac{E_b}{N_0} = \dfrac{B}{C}(2^{C/B} - 1) \]

第四章 传输媒体

传输媒体和信号的特点决定了通信质量:

  • 导向媒体:媒体自身
  • 非导向媒体:发射天线的信号特征

通常设计数据传输系统时,主要考虑的是数据率和传输距离。许多设计因素都和传输媒体和信号有关:

  • 带宽
  • 传输损伤
  • 干扰
  • 接收器的数量

4.1 导向传输媒体

4.1.1 双绞线

  • 廉价
  • 方便
  • 数据率低
  • 传输距离短

双绞线是最廉价、使用最广泛的导向媒体;可以传输模拟信号和数字信号,模拟信号约1MHz,数字传输100Mbps或短距离1Gbps。

  • 非屏蔽双绞线:普通电话线。
  • 屏蔽双绞线:每一对线由金属箔屏蔽,价格贵。

双绞线的损耗:

  • 插入损耗(insertion loss):从发送系统到接收系统链路上的衰减;
  • 近端串扰(near and crosstalk, NEXT):从一对导体到另一对导体上的信号耦合

衰耗串扰比\( \text{ACR}_{\text{dB}} = \text{NEXT}_{\text{dB}} - A_{\text{dB}} \),必须为正值,即要求\( P_r > P_c \),接受功率大于NEXT损耗。

4.1.2 同轴电缆

同轴电缆可以被用于长距离传输和更多的复用

  • 空心的圆柱形外导体和柱形的内导线
  • 可用于模拟和数字信号传输
  • 电视信号,长距离电话传输,局域网

4.1.3 光纤

  • 容量更大 (100M - 10Gbps/km)
  • 体积更小,质量更轻
  • 衰减更小
  • 电磁隔离
  • 转发器间隔更远

光纤通信:

  1. 发送器以数字电信号为输入,电信号通过电子接口被送入LED或激光光源,光源根据输入的电信号对数字数据进行编码,产生一系统的光脉冲;
  2. 接收器包括一个光传感器,用于检测传入的光信号,并将其转换回数字电信号。

按折射率分类:

  • 阶跃型
  • 渐变型

按模式分类:

  • 多模光纤
  • 单模光纤

补充:

物理层接口标准:RS-232、RS-422、RS-485

数据链路层设备:计算机网卡、网桥、交换机

交换机工作在数据链路层,集线器在物理层

4.2 无线传输

  • 30MHz~1GHz:射频(radio),适用于全向通信;
  • 1GHz~40GHz:微波(microwave),高方向性传输,适用于点对点、卫星通信;
  • 3e11~2e14Hz:红外线(infrared ray),点对点、点对多点应用。

天线的定义:

  • 发射电磁能量和接受电磁能量的电导体(系统)
  • 双向通信中,同一个天线能够同时收发(同频)

天线的分类:

  • 各向同性天线(全向天线):由一个点均等地向所有方向发射能量
  • 抛物面反射天线:信号聚集到焦点上

天线增益: \[ G = \dfrac{4\pi A_e}{\lambda^2} = \dfrac{4 \pi f^2 A_e}{c^2} \] 其中\( A_e \)为天线的有效面积,\( \lambda \)为波长。

无线传播:

  • 地波(2-MHz):AM广播
  • 天波(2~30MHz):Internel broadcast, e.g. BBC
  • 视距传输(30+MHz):卫星传输、中继传输

视距传播损伤:

  • 折射
  • 自由空间损耗
  • 大气吸收
  • 多径

两个视距传播的天线之间的最大传输距离为 \[ d = 3.57 (\sqrt{Kh_1} + \sqrt{Kh_2}) \] 其中\( K \)是由折射引起的调整系数,经验值为\( \dfrac{4}{3} \);\( h_1, h_2 \)为两个天线的高度(m);\( d \)时两个天线之间的最大传输距离(km)。

对于理想化的全向天线来说,自由空间损耗为 \[ \dfrac{P_t}{P_r} = \dfrac{(4\pi d)^2}{\lambda^2} = \dfrac{(4 \pi f d)^2}{c^2} \]

分贝表示: \[ L_{\text{ dB}} = 10 \lg \left( \dfrac{4\pi d}{\lambda} \right)^2 = 20 \lg \dfrac{4 \pi d}{\lambda} \text{ dB} \]

对于其他类型的天线,必须考虑天线增益: \[ \dfrac{P_t}{P_r} = \dfrac{(4 \pi d)^2}{G_r G_t \lambda} = \dfrac{(\lambda d)^2}{A_r A_t} = \dfrac{(cd)^2}{f^2 A_r A_t} \] 其中\( G \)为增益,\( A \)为有效面积。

第五章 信号编码技术

模拟信号传输的基础是一种连续且频率固定的信号,称为载波信号

调制是将源数据编码到频率为\( f_c \)的载波信号上的过程。

输入信号\( m(t) \)称为被调信号或基带信号,它可以是模拟的,也可以是数字的。载波信号经过调制后得到的结果称为已调信号\( s(t) \)。

5.1 数字数据,数字信号

术语

如果所有的信号元素具有相同的正负号,那么这个信号就是单极性的。在极性信号传输中,一个逻辑状态由正点平表示,另一个则由负电平表示。数据信号传输速率,或者说数据率指的是数据传输的速率,以比特每秒为单位。相反,调制速率是指信号电平改变的速率,它取决于数字编码的特性。

术语“传号”(mark)和“空号”(space)分别指的是二进制数字1和0。

关键的数据传输术语:数据元素、数据率、信号元素、信号传输速率。(DCC P105)

接收信号

接收端需要知道

  • 每个bit的起止时间
  • 每个bit的信号电平

信号成功接收受到不同因素的影响

  • 信噪比
  • 数据率
  • 带宽
  • 编码机制

前三点总结为香农公式 \[ C = B \log_2(1+SNR) \]

编码格式

  • 单极性(unipolar)与双极性(polar)
  • 归零(RZ)与不归零(NRZ)
  • 单相位与双相位(如0用01表示,1用10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,与码元本身的电位和极性无关(更为可靠,可消除设备初始状态和设备多样性的影响)
  • 多电平波形(在波特率相同的情况下提高比特率)

码型评估比较方式:

  • 信号频谱(Signal Spectrum):
    • 集中在传输带宽的中心位置,宽度窄,可节省传输频带
    • 减少高频分量来节省带宽
    • 去掉直流成分,使得非直流成分可经过变压器的交流耦合来实现电气隔离
  • 时钟同步(Clocking):
    • 含有丰富的定时信息,以便从接收码流中提取定时信号
    • 或者提供独立的时钟源,代价相当高
  • 差错检测:
    • 具有内在的检错能力
    • 数据链路层差错检测与物理层差错检测
  • 信号干扰和抗噪声度(Signal Interference and Noise Immunity):
    • 不受信息源统计特性的影响
    • 考虑比特差错率(BER)
  • 费用和复杂性(Cost and Complexity):
    • 编译码简单,降低时延和成本
    • 避免编码后的信号比原始信号要求的数据率高

码型选择原则:

  • 不含直流,高频分量少
  • 含有丰富的定时信息
  • 功率谱主瓣宽度窄
  • 适应于信息源的变化
  • 具有内在的检错能力
  • 编译码简单

5.1.1 不归零码(NRZ)

NRZ分为两种:绝对码和差分编码。

  • 应用
    • 原始数字数据表示
  • 优点
    • 简单,容易实现
    • 有效利用带宽
  • 缺点
    • 具有直流成分
    • 缺乏同步能力

5.1.2 多电平二进制(Multilevel Binary)

分为多种:双极性AMI、伪三进制等。

双极性码:没有信号表示0,交替变化正负电平表示1。

  • 优点:
    • 没有净直流成分
    • 高低频分量少
    • 易于差错检测
    • 即使一长串1也不会失去同步(0有问题
  • 缺点:
    • 较长的0比特串下会发生失同步问题
  • 改进方法:
    • 低速情况:插入附加比特
    • 高速情况:扰码技术

5.1.3 双相位

两种常用技术:曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

  • 在每个比特周期的中央产生跳变
  • 优点:提供了数据和定时信息,无直流成分
  • 缺点:调制率是NRZ的两倍,需要更大的带宽
  • 应用:
    • 曼彻斯特编码:IEEE 802.3 (以太网。,Ethernet)
    • 差分曼彻斯特编码:802.4 (令牌环,Token Bus),RFID

5.1.5 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
    • 不含支流
    • 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,不会被误判

常用的两种技术:B8ZS和HDB3。

HDB3:3阶高密度双极性码,使得AMI码连续的0个数不超过3个。

编码规则:

  1. 检查0的个数。当数目小于等于3时,HDB3与AMI相同。
  2. 当0超过3时,每4个0作为一个小节,定义为B00V,称为破坏节。其中V称为破坏脉冲,B称为调节脉冲。
  3. V与前一个相邻的非0脉冲的极性相同(破坏了机型交替的原则,故称为破坏脉冲),并且要求相邻的V极性交替。
  4. B的取值可选0、+1、-1,使V满足上条中的要求。
  5. V后面的号码极性也要交替。

例子见DCC P112。

5.1.4 调制率

\[ D = \dfrac{R}{L} = \dfrac{R}{\log_2M} \]

其中,\( D \)为调制率(baud),\( R \)为数据率(bps),\( M = 2^L \)为不同信号元素的个数,\( L \)为每个信号元素中的比特数。

5.2 数字数据,模拟信号

数字调制(Digital Modulation)的常用技术:

  • 振幅键控(ASK):光纤传输数字信号
  • 频移键控(FSK):话音线路
  • 相位键控(PSK):CDMA等

5.2.1 振幅键控

0/1由载波频率的两个不同振幅值来表示。

\[ \textbf{ASK } s(t) = \begin{cases} A \cos(2 \pi f_c t), & 1 \\ 0, & 0 \end{cases} \]

  • 应用:
    • 数据率不高于1200bps的话音线路
    • 光纤中传输数字线路
  • 缺点:
    • 受噪声影响很大
    • 不够高效

多进制振幅键控(MASK)又称为多电平控制,优点:MASK信号的带宽和2ASK信号的贷款相同,故单位频带的信息传输速率高,且频带利用率高。

5.2.2 频移键控

二进制频移键控:由两个不同的频率来代表二进制数的两个值。

\[ \textbf{BFSK } s(t) = \begin{cases} A \cos(2 \pi f_1 t), & 1 \\ A \cos(2 \pi f_2 t), & 0 \end{cases} \]

  • 应用:
    • 话音信道
    • 高频无线电传输
    • 使用同轴电缆的局域网

多值频移键控(MFSK):由不同的频率来代表一个以上的数据。(DCC P114 例5.4)

\[ \textbf{MFSK } s_i(t) = A \cos(2 \pi f_i t), 1 \leqslant i \leqslant M \]

5.2.3 相移键控

通过载波信号的相位偏移来表示数据。

二进制相移键控(BPSK):

\[ \textbf{BPSK } s(t) = \begin{cases}A \ cos(2 \pi f_c t + \pi), & 1 \\ A \cos(2 \pi f_c t), & 0 \end{cases} \]

四项键控(QPSK):如果一个信号元素表示多个比特,能够更有效地利用带宽。QPSK相位偏移为\( \dfrac{\pi}{2} \),每个元素代表2个比特。

多值相移键控(MPSK):基本类似,见DCC P116。

5.2.4 性能

  • 传输带宽
    • ASK和PSK带宽与比特率直接相关, \[ B_T = (1+r)R, 0 < r < 1 \]
    • FSK对于低频载波主要和数据率相关;而对于高频载波主要取决于调制频率相对于载波频率的偏移。 \[ B_T = 2 \Delta F + (1+r)R, \Delta F = f_2 - f_c = f_c - f_1 \]
  • 在出现噪声时,PSK和QPSK的比特差错率(误码率)比ASK和FSK低。
    • ASK/FSK欲达到同样误码率,需要\( E_b/E_0 \)多出3dB。

5.2.5 正交调幅

\[ \textbf{QAM } s(t) = d_1(t) \cos 2 \pi f_c t + d_2(t) \sin 2 \pi f_c t \]

正交调幅(QAM)为QPSK的拓展,在同样的载波频率上发送两个不同的信号。

  • 使用两个载波,具有\( \dfrac{\pi}{2} \)的偏移
  • 每个载波使用ASK调制
  • 在同样的传输媒体发送两个独立的信号

QAM常用于非对称数字用户线路(ADSL)、电缆解制解调器、无限模拟信号传输中。

5.3 模拟数据,数字信号

数字化:把模拟数据转化为数字数据。

常见的3种用途:

  1. 数字数据直接使用NRZ-L编码传输;
  2. 通过转换使用非NRZ-L编码传输;
  3. 模拟数据转换为数字数据,再转换为模拟信号。

编解码器(codec)的主要用途:

  • 脉码调制(Pulse code modulation);
  • 增量调制(Delta modulation)。

5.3.1 脉码调制(PCM)

采样原理 如果一个信号\( f(t) \)以固定的时间间隔并以高于信号最大主频率两倍的速率进行采样,那么这些样本就包含了原始信号中的所有信息。根据这些样本,通过使用低通滤波器,就可以重建函数\( f(t) \)。

注意这些样本是模拟的,称为脉幅调制(PAM)样本。要想转换为数字,必须为每一个模拟样本赋予一个二进制码。

PCM

脉码调制从一个时间连续、振幅连续的信号开始,从中产生数字信号。在接收端,执行相反的过程以再生模拟信号。这一处理过程违反了采样原理的条件,原始信号仅仅能被近似,而不能完全准确的重新恢复。这个影响称为量化误差量化噪声。量化噪声的信噪比可表示如下: \[ \text{SNR}_{\text{dB}} = 20 \lg 2^n + 1.76 \text{ dB} = 6.02n + 1.76 \text{ dB} \] 因此,用于量化的比特数每增加1比特,信噪比就增加6 dB,即增加了4倍。

间距相等的线性编码技术会带来问题:不论信号电平是多少,每个样本的绝对误差都相等。结果是振幅值较低的地方失真就相对较严重。

PCM Encoding

如果在信号振幅值较低时量化的次数较多,而在信号振幅值较高时量化的次数较少,则信号的整体失真就可以大幅降低。

PCM Companding

使用统一的量化过程,但对输入的模拟信号进行压扩(压缩-扩展),也可以达到同样的效果。如上图中典型的压扩函数在输入端对样本进行压缩,在输出端对样本进行扩展。即使量化值的数量本身不变,对低电平信号的量化值数量还是比原来多。

5.3.2 增量调制(DM)

DM

使用增量调制时,输入的模拟信号用一个阶梯函数来近似,这个函数在每个采样周期(\( T_s \))上升或下降一个步长值(\( \delta \))。从本质上讲,通过近似一个模拟信号的导数,而不是他的振幅,就可以产生一个比特流:如果阶梯函数在下一个周期上升则生成1,否则生成0。

  • 编码器:预测误差\( e_k = m_k - m_k' \)被量化成两个电平\( +\delta(1) \)和\( -\delta(0) \)。
  • 译码器:“延迟相加电路”(时序反馈电路)。

5.3.3 性能

PCM v.s. DM

  • DM和PCM相比实现简单,在数据率相同的条件下PCM具有较好的信噪比;
  • PCM编码表示话音数据需要更多的带宽;
  • 由于数字信号与话音数据相比,包含了更多的高频成分,因此对于代表数字数据的模拟信号数字化时,PCM比DM更可取。

第六章 差错检测和纠正

6.1 差错类型

可能出现的差错分为两大类:

  • 单比特差错
  • 突发性差错

差错突发 一组比特中,任意两个连续的差错比特之间间隔的正确比特数总是小于\( x \),\( x \)为一给定值。因此在差错突发时最后一个差错比特与下一次突发的第一个差错比特之间会有\( x \)个以上的正确比特间隔。

数据率越高,突发性差错的影响就越大。

6.2 差错检测

概率定义:

  • \( P_b \):接收到一个差错比特的概率,也称为比特差错率(BER)。
  • \( P_1 \):无比特差错的帧到来的概率。
  • \( P_2 \):在使用某种差错检测算法的情况下,含有一个或多个未检测到的比特差错的到达概率。(也称为剩余差错率。)
  • \( P_3 \):在使用某种差错检测算法的情况下,含有一个或多个检测到的比特差错,并且没有未检测到的比特差错的帧到达的概率。

通过使用差错检测码来检测错误,也称为检验比特(check bit)。

6.3 奇偶校验

6.3.1 奇偶校验比特

注意:奇偶校验是指满足加上校验位后所有的1的数量为奇数或偶数。

如果有任意偶数个比特因错误而反转就会出现检测不到的差错。

奇偶校验并不是十分安全,因为噪声脉冲的长度经常足以破坏一个以上的比特,特别是在数据率比较高的情况下。

6.3.2 二维奇偶校验

每一行\( i \)添加该行的偶校验比特\( r_i \),每一列添加该列的偶校验比特\( c_j \),整个阵列的最后再添加一个整体的奇偶校验比特\( p \)。这种差错检验码由\( i + j + 1 \)个奇偶校验比特构成。

具有一定的纠错能力,矩形的四个错误无法检测。

6.4 因特网检验和

因特网检验和的计算利用了二进制反码运算以及反码求和。

Checksum

首先将检验和字段全部置为0,然后对首部中所有的八位组执行反码求和,对计算结果进行反码运算。最后得到的结果被存放在检验和字段中。为了验证检验和,再一次对所有八位组(包括检验和字段)进行反码求和。如果得到的结果为全1(即负0),则验证成功。

注意:求和过程中如果最左边的比特有进位,则和再加1(循环进位(end-arround carry))。

  • 相比于奇偶校验,因特网校验和差错检测能力更强
  • 涉及简单的加法和比较运算,开销小
  • 链路层使用循环冗余校验(CRC)情况下,因特网校验和作为补充到端到端的差错检测

6.5 循环冗余检验(Cyclic Redundancy Check, CRC)

给定一个\( k \)位的比特块,或者说报文,发送器会生成一个\( (n-k) \)位的比特序列,称为帧检验序列(Frame Check Sequence, FCS)。它必须使最后得到的含有\( n \)个比特的帧能够被一些预先设定的数值整除。然后,接收器用同样的数值对接收到的帧进行除法运算,如其结果没有余数,则认为没有差错。

6.5.1 模2运算

模2运算是实现循环冗余检验的一种处理方法,使用无进位的二进制加法(异或操作)。

现在定义:

  • \( T \)为要发送的\( n \)比特帧,
  • \( D \)为\( k \)比特数据块(报文),
  • \( F \)为\( (n-k) \)比特帧检验序列(FCS),
  • \( P \)为\( (n-k+1) \)比特的预定比特序列,它是预定的除数。

(省去P135一大串数学运算),FCS是很容易生成的:只要用\( P \)去除\( 2^{n-k}D \),并且将其\( (n-k) \)比特的余数作为FCS。在接收时,接收方会用\( T \)除以\( P \),并且如果传输没有差错,那么计算得到的结果就没有余数。

6.5.2 多项式

第二种观察CRC处理过程的方法是将所有的值表示成一个虚构变量\( X \)的多项式,其系数均为二进制数。这些系数与二进制数值中的每一位相互对应。例如\( P=11001 \),\( P(X) = X^4 + X^3 + 1 \)。运算操作仍然是模2的,此时的CRC过程可描述如下: \[ \dfrac{X^{n-k}D(X)}{P(X)} = Q(X) + \dfrac{R(X)}{P(X)} \] \[ T(X) = X^{n-k}D(X) + R(X) \]

  • 预定比特序列\( P \)要比要求的帧检验序列FCS多一个比特
  • 检测差错等价于选择\( P \)使得差错不能被\( P \)整除(只有在能被\( P(X) \)整除时才无法检测到差错)。

广泛使用的多项式序列:CRC-12、CRC-ANSI、CRC-CCITT、IEEE-802。

6.5.3 数字逻辑

CRC过程可以表示为由一些异或门和移位寄存器组成的除法电路:

Circuit

  • 寄存器含有\( (n-k) \)个比特,等于FCS的长度;
  • 总共有\( (n-k) \)个异或门;
  • 异或门是否存在,对应于多项式除数\( P(X) \)中的某一项是否存在,除了项\( 1 \)和\( X^{n-k} \)。

6.6 前向纠错

  • 差错检测需要数据块重传机制
  • 差错重传不适用于信道状态较差的链路:
    • 无线链路:高比特差错率导致大量重传
    • 卫星链路:长传播时延导致效率低下
  • 前向纠错(FEC):接收器能够在接收过程中根据传输的比特来纠错。

FEC得到的四种可能输出:

  • 无差错:没有比特差错,解码器生成原数据块;
  • 可检测,可纠正差错:即使收到的数据块和被传输的码字不同,FEC解码器也能通过映射产生原数据块;
  • 可检测,不可纠正之差错:能够检测到差错,但无法纠正;
  • 不可检测之差错:未能检测到差错,产生与原数据块不一致的\( k \)比特数据块。

FEC算法以\( k \)比特块为输入,并向比特块增加\( (n-k) \)个检验比特,形成\( n \)比特数据块;原有\( k \)比特块内的比特都将在\( n \)比特块中出现。对于某些FEC算法,FEC算法将\( k \)比特输入映射到\( n \)比特码字,原始的\( k \)比特将不再在码字中出现。

6.6.1 块码原理

汉明距离 \( d(v_1, v_2) \)是指\( v_1 \)和\( v_2 \)之间不同比特的个数。

  • \( (n, k) \)块码:共有\( 2^n \)个码字,其中合法码字为\( 2^k \)个。
  • 冗余度:冗余比特与数据比特的比率\( \dfrac{n-k}{k} \)。
  • 编码率:数据比特与总比特数的比率\( \dfrac{k}{n} \)。
  • 最短距离:一个编码中码字之间的最短汉明距离。

如果\( d_{\min} \geqslant 2t+1 \),那么这个编码可以纠正高达(包括)\( t \)个比特的差错。如果\( d_{\min} \geqslant 2t \),那么所有小于等于\( t-1 \)个比特的差错都可以被纠正,并且能够检测出\( t \)个比特的差错,但通常无法纠正。

可纠正比特数:\( t = \left\lfloor \dfrac{d_{\min} - 1}{2} \right\rfloor \),可检测比特数:\( t = d_{\min} - 1 \)。

块码设计的要点:

  • 对于给定的\( k \)和\( n \),希望\( d_{\min} \)尽可能大;
  • 编解码过程相对简单,内存开销和处理时间尽量少;
  • 希望附加比特数\( (n-k) \)比较少,以减少带宽;
  • 或希望附加比特数\( (n-k) \)比较多,以减少差错率。

(具体的纠错码可以参考数电的汉明码。)

编码增益(coding gain) 如果使用了相同的调制方法,要达到指定的BER(比特差错率),有纠错码的系统和无纠错码的系统相比较,所要求的\( E_b/N_0 \)值(信噪比)的减小量,以分贝为单位。

期中考试复习点

第1-2章

  • 通信模型
  • 通信传输的划分方式(单工、半双工等)能区分区别、画出框架图、工作方式
  • 数字通信和模拟通信
  • 网络体系结构(5层):每层的核心功能
  • 套接字:功能、类型

单模光纤和多模光纤的区别?

第3章 数据传输

  • 传输媒体
  • 模拟/数字 数据/信号 是什么
  • 周期连续信号
  • 方波信号(傅里叶级数)
  • 信号的频谱和带宽
  • 数据率和带宽的关系
  • 模拟和数字传输(放大器、转发器)
  • 数字信号传输的优势
  • 传输损伤、失真、噪声(信噪比SNR)
  • 信道容量
  • [必考] 奈奎斯特带宽(信道无噪声)\( C = 2B \log_2M \)
  • [必考] 香农公式 \( C = B \log_2 ( 1 + SNR) \)

第4章 传输媒体

  • 光纤
  • 无线传播
  • 自由空间损耗模型\( L = 10 \lg \left( \dfrac{4\pi d}{\lambda} \right)^2 \text{ dB} \)

第5章 信号编码技术

  • 编码和调制技术
  • 数字基带信号(极性、归零、相位、差分波形、多电平)
  • 数字信号编码格式:掌握常见编码格式,能画出/阅读波形
  • 扰码技术:HDB3等(会知道复杂的规则)
  • 模拟信号:ASK、FSK、PSK
  • 相干解调(流程、原理、计算)
  • 模拟信号数字化:PCM(压扩函数等处理方法)、DM
  • 调频FM、调幅AM、调相PM以及相互转换的关系

第6章 差错检测和纠正

  • 因特网校验和(反码求和)
  • 循环冗余检验
  • 差错纠正流程
  • 块码原理

第七章 数据链路控制协议

为了实现必要的控制功能,在物理接口层之上又增加了一个逻辑层,这个逻辑称为数据链路控制(data link control)或数据链路控制协议(data link control protocol)。在使用数据链路控制协议时,系统之间的传输媒体称为数据链路(data link)。

针对两个直接连接的站点之间的数据通信,列出以下要求与目标:

  • 帧同步:数据以数据块(帧)的形式发送,每个帧的开始和结束必须可以辨别。
  • 流量控制:发送站点发送帧的速度不得超过接收站点接纳这些帧的速度。
  • 差错控制:有传输系统引起的比特差错必须纠正。
  • 寻址:传输涉及的两个站点的身份必须指明。
  • 控制信息和数据在同一链路上:接收器必须从传输的数据中辨认出控制信息。
  • 链路管理:持续不断的数据交换的初始化、维持以及终止等工作,需要站点之间大量的协同和合作,因而需要具有管理这些交换的过程。

7.1 流量控制

流量控制是用于确保发送实体发送的数据不会超出接受实体接收数据能力的一种机制。如果没有流量控制,接收器在处理旧数据时,缓存就有可能被新数据填满,甚至溢出。

  • 传输时间(transmission time):站点将一个帧的所有比特送到媒体上所花费的时间,与帧的长度成正比;
  • 传播时间(propagation time):一个比特经过链路从源点到达终点所花费的时间。

7.1.1 停止等待流量控制 (Stop and Wait)

源实体传输一个帧,目的实体在接收到它之后,返回一个对刚刚接收到的帧的确认(ACK),以表明自己愿意接受下一个帧;源点在发送下一个帧之前必须等待,直至接受到这个确认。

终点可以不发送ACK,从而终止数据流。

把大块的数据切分成小数据块传输(fragmentation):

  • 接收方缓存空间有限
  • 大块数据传输容易发生错误
  • 避免一个站点长时间占用传输媒体

为了研究这个问题,首先定义链路的比特长度 \[ B = R \times \dfrac{d}{V} \] 其中\( R \)时链路的数据率(bps);\( d \)为链路的长度(距离,m);\( V \)为传播速率(m/s)。计算结果\( B \)为以比特为单位的链路长度,即比特流完全占满整个链路时链路上的比特数量。

在比特长度大于帧长度的情况下,就会导致效率严重低下。如果传输时间取单位1,传播时延可以表示为 \[ a = \dfrac{t_{prop}}{t_{frame}} = \dfrac{d/V}{L/R} = \dfrac{B}{L} \] 其中\( L \)是一个帧当中的比特数(以比特为单位的帧长度)。

问题:什么情况下stop and wait效率较高?

总传输时间: \[ T_F = t_{prop} + t_{frame} + t_{proc} + t_{prop}' + t_{ack} + t_{proc}' \]

在模型分析中,我们可以认为处理的时间非常快,且ACK非常短,传输时间可以忽略,则 \[ T_F = t_{prop} + t_{frame} + t_{prop}' = 2t_{prop} + t_{frame} \]

传输利用率: \[ U = \dfrac{t_{frame}}{T_f} = \dfrac{t_{frame}}{2t_{prop} + t_{frame}} = \dfrac{1}{1 + 2a} \]

  • 当\( a > 1 \)时,\( B > L \),此时链路没有被完全利用;
  • 当\( a < 1 \)时,\( B < L \),线路也没有得到充分利用。

总体来说,当数据率\( R \)非常高时,或发送方与接收方之间的距离非常远时,停止等待流量控制的线路利用效率不高。

7.1.2 滑动窗口流量控制 (Sliding-window)

利用率不高的根本问题在于一次只允许发送一个帧。如果一次允许传输多个帧,就可以大大提高传输效率。

在滑动窗口流控协议中,接收端为\( W \)个帧分配了缓存,发送端在没有收到ACK之前可以发送\( W \)个帧。为了始终掌握哪些帧已经被确认,每个帧都通过一个序号来标识,接收端通过发送一个确认帧来肯定某个帧已经被接收,并告知下一个期望接收到的帧序号(也隐含地表明了接收端已经准备就绪接收以指明序号为首的后\( W \)个帧)。

(此处插图7.3)

对于\( k \)比特长的字段,序号范围为\( 0 \)到\( 2^k-1 \),并且以\( 2^k \)为模编号,如\( 3 \)比特长的帧编号为\( 0, 1, \dots, 7 \)。

(此处插图7.4)

接收方必须只能接纳紧跟在最后一次确认帧之后的\( W \)个帧。接收方接收到数据后可以发送两种报文:

  • RR \( N \) (received ready):已经接收到\( N \)号之前的帧,准备接收\( N+1 \dots N+W \)帧。
  • RNR \( N \) (received not ready):无法接受更多的帧,切断数据流。此后的某个时刻必须发送一个正常的确认帧来重新启动滑动窗口。

在双向传输中,可以通过捎带(piggybacking)的技术在数据帧中存放确认序号。可以同时发送数据和控制信号并节省通信容量。如果一个站点有确认但没有需要发送的数据,就会独立发送一个确认帧(RR或RNR)。如果一个站点需要发送数据但没有新的确认,就必须重新发送上一次已经发送过的确认;接收端收到后直接忽略这个确认。

滑动窗口的利用率分析: \[ U = \begin{cases} 1, & W \geqslant 2a + 1, \ \dfrac{W}{2a + 1}, & W < 2a + 1. \end{cases} \]

7.2 差错控制

数据以帧序列的形式发送,到达时的顺序与发送的顺序相同,并且每个传输的帧在被接受之前会遭受到任意的不等量时延。另外,我们还承认可能存在一下两种类型的差错:

  • 帧丢失 帧没有到达另一方。
  • 帧损伤 可辨认的帧到达,但部分比特有差错。

最常用的差错控制技术的基础都由下述的部分或全部技术组成的:

  • 差错检测
  • 肯定确认
  • 超时重传
  • 否认与重传

综合起来,这些机制都称为自动重传请求(automatic repeat request, ARQ),有以下三种ARQ已经成为标准:

  • 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)

7.2.1 停止等待ARQ

源点发送一个数据帧,等待确认(ACK)。在终点的确认返回源点之前,源点不能发送其他的数据帧,也不能删除缓存(保持发送帧的拷贝)。

  • 发送端:帧损伤
    • 尝试纠正,或者丢弃该帧;
    • 发送端超时重传;
  • 接收端:ACK损伤
    • 发送端超时重传;
    • 重传后总共收到两份相同编号的帧:为了解决这个问题,可以交替的将帧编号为0和1,返回ACK0/ACK1来确认希望收到的帧。

注意:ACK \( i \) 不是收到了第 \( i \) 帧,而是希望收到第 \( i \) 帧。

7.2.2 返回\( N \) ARQ

如果没有出现差错,使用ACK/RR进行确认。否则,发送拒绝(REJ/Negative-ACK)。终点丢弃这个帧以及后续接收到的帧,直到有差错的帧被正确地接收到。因此,当源点接收到一个REJ后,必须重传有差错的帧以及之后所有已经传输过的帧。

  • 帧损伤:接收到的帧是无效的,接收端丢弃该帧和后续帧。
    • 在合理的时间范围内,发送端继续发送\( (i + 1) \);而接收端接收到\( (i + 1) \)后发现顺序不对,于是发送REJ \( i \)。发送端必须重传\( i \)以及之后的所有帧。
    • 当发送端的计时器超时,发送端会发送一个RR,RR数据帧中的P比特被置为1,接收端收到后返回RR来表明自己希望接收到的下一帧。发送端收到回应后重新开始传输。
  • RR损伤:
    • 接收端收到第\( i \)帧并发送RR \( (i + 1) \),但它在传输时丢失。发送端可能会接收到下一个帧的RR,并且可能在\( i \)的计时器超时前到达。
    • 如果计时器超时,发送端会发送RR指令(如帧损伤第二种情况)。此时发送端还会设置另外一个P比特计时器,如果接收端没有响应RR命令,或者相应被损伤,那么P比特计时器会超时。在这种情况下,发送端会重复流程,重新发送RR指令。重试次数超过最大之后如果RR还是没有获得相应,发送端就会启动复位进程。
  • REJ损伤:如果REJ丢失,情况等同于帧损伤的第二种情况。

7.2.3 选择拒绝ARQ

如果使用选择拒绝ARQ,被重传的只有那些接收到否认或者超时的帧,在这种情况下,否认称为SREJ。

  • 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
    • 发送端能够判断并仅发送失序的帧
    • 接受段能够按照正确的顺序重组帧
  • 用于传播时延长的卫星链路
最大的窗口大小是多少?

以3比特长度为例,如果窗口长度为\( 2^3 = 8 \),一个站点发送了帧0并得到返回的RR 1,于是继续发送8个帧并且得到另一个RR 1。这可能意味着8个帧全部都被接受到,而RR 1是累积确认,因此也可能意味着所有8个帧都被损伤或丢失。

对于返回\( N \) ARQ,最大窗口长度设置为\( 2^{k}-1 \)即可避免上述问题。

而对于选择拒绝ARQ,由于发送窗口和接收窗口之间出现了重叠部分,最大窗口值必须小于序号范围的一半,最大窗口长度为\( 2^{k-1} \)。

7.3 高级数据链路控制 (HDLC)

7.3.1 基本特点

为了满足各种应用的需要,HDLC定义了三种类型的站点、两种链路设置以及三种数据传输运行方式。三种站点类型分别如下:

  • 主站:负责控制链路操作。主站发出的帧称为命令。
  • 从站:在主站的控制下工作。由从站发出的帧称为相应。主站为链路上的每一个从站维护一条独立的逻辑链路。
  • 混合站:混合了主站和从站的特点。

两种链路设置如下:

  • 非平衡设置:由一个主站以及一个或多个从站组成,支持全双工或半双工传输。
  • 平衡设置:由两个混合站组成,支持全双工或半双工传输。

三种数据传送方式如下:

  • 正常响应方式(NRM):用于非平衡设置。主站能够发起到从站的数据传输,而从站只有在接收到主站的命令时才能传输数据。
  • 异步平衡方式(ABM):用于平衡设置。两个混合站都能够发起数据传输,不需要取得对方混合站的许可。
  • 异步响应方式(ARM):用于非平衡设置。在主站没有明确允许的情况下,从站能够发起传输。但主站仍然对线路全权负责,包括初始化、差错恢复以及链路的逻辑断开。

NRM用于多点线路,就是多个终端连接到一台主计算机上,主计算机对每台中断进行轮询并采集数据。NRM有时也用于点对点的链路,特别是当计算机通过链路连接到一台终端或者其他外设时。ABM是这三种方式中使用最广泛的一种,由于没有用于轮询的额外开销,所以它较有效的利用了全双工点对点链路。ARM很少被使用,它应用于从站需要发起传输的某些特殊场合。

7.3.2 帧结构

HDLC使用的是同步传输,所有的传输均为帧形式,且独立的帧格式就能够完全满足各种类型的数据和控制交换。

帧包括多个字段,信息字段前的统称为首部(header),信息字段之后的统称为尾部(trailer):

  • 标志:8bit
  • 地址:8bit可扩展
  • 控制:8/16bit
  • 信息:变长
  • FCS:16/32bit
  • 标志:8bit

帧分为三种:

  • I:信息
  • S:监控(只有S不可以传输数据)
  • U:无编号帧

标志字段与比特填充

标志字段以01111110模式在帧的两端起定界作用,但01111110可能在帧中间出现,因而破坏同步。为了避免这种情况,需要使用一种称为比特填充(bit stuffing)的处理过程:每出现5个1之后发送器就会插入一个附加的0。接收方检测到起始标志后,一旦有5个1的模式出现,就会检查第6个比特。

  • 如果第6个比特是0,那么该比特就会被删除;
  • 如果第6个比特是1,且第7个比特是0,那么这一组合是标志字段;
  • 如果第6、第7比特都是1,那么发送方指明此时应该处于异常终止状态。

使用比特填充后,在帧的数据字段中可以插入任意的比特序列,这种性质称为数据透明性(data transparency)。

地址字段

地址字段表示出了传输或者准备接受这个帧的从站。点对点的链路不需要这个字段,但是为了统一,所有的帧都含有这个字段。八位组地址11111111被解释为所有站点的地址,它让主站能够广播一个帧,使得所有从站都能收到。

控制字段

信息帧(I帧)携带的是向用户(使用HDLC且位于HDLC之上的逻辑层)传输的数据。另外,因使用ARQ机制而在信息帧中还捎带了流量控制和差错控制数据。监控帧(S帧)在未使用捎带技术时提供了ARQ机制。无编号帧(U帧)提供了增补的链路控制功能。

所有的控制字段格式中都包含了一个轮询/结束(P/F)比特。

  • 在命令帧中指P比特,如果设置为1,就是向对等实体请求(轮询)一个响应帧;
  • 在响应帧中指F比特,如果设置为1,就表示发送的这个响应帧是对一个请求命令的回应。

信息字段

只有I帧和某些U帧才具有信息字段。这个字段可以含有任意的比特序列,但必须由整数个八位组组成。信息字段的长度不固定,最大可达系统设置的最大值。

帧检验序列字段

FCS通常使用16bit的CRC-CCITT码。(见6.3节)

7.3.3 运行方式

HDLC的运行方式包括在两个站点之间交换I帧、S帧、U帧。

HDLC的运行涉及三个阶段:首先,双方中有一方要初始化数据链路,使帧能以有序的方式进行交换。初始化之后,双方交换用户数据和控制信息,并且实施流量控制和差错控制。最后,双方中由乙方要发出信号来终止运行。

初始化

任何一方都能够通过6个置位方式命令之一请求初始化。此命令有以下三个目的:

  1. 通知对方请求初始化;
  2. 指出请求的是哪种方式(三种之一);
  3. 指出使用的是3bit还是7bit的序号。

如果另一方接收这个请求,那么它的HDLC模块向发起方返回一个无编号确认(UA)帧。如果这个请求被拒绝,那么它发送一个拆链方式(DM)帧。

数据传送

当初始化被请求并被接受后,就会建立起一个逻辑连接。双方都可以通过I帧开始发送用户数据,帧的序号从0开始。S帧也可以用于流量控制和差错控制。

拆链

连接中的任何一方的HDLC模块都可以启动拆链操作,可能是由于模块本身因为某种错误而引起的中断,也可能是高层用户的请求。HDLC通过发送一个拆链(DISC)帧宣布连接终止。对方必须用一个UA帧回答,表示接受拆链,并通知其第三层用户该连接已经终止。所有未被确认的I帧都可能丢失,而这些帧的恢复工作则由高层负责。

第八章 复用

为了提高效率,数据链路的容量应当可以被共享。这种共享统称为复用(multiplexing)。

8.1 频分复用 FDM

8.1.1 特点

当传输媒体的有效带宽超出了被传输的信号所要求的带宽时,就可以使用FDM。每个被调制的信号都需要具有以各自载波频率为中心的一定的带宽,称为信道(channel)。为了防止相互间的干扰,这些信道被防护频带隔开,防护频带是频谱中未被使用的部分。

FDM

各路信号\( m_i(t) \)首先被调制到载波\( f_i \)上,每一路载波称为一个副载波(subcarrier),可以使用任意类型的调制手段。接着,经过调制的模拟信号叠加起来,产生复合基带(baseband)信号\( m_b(t) \)。

FDM Modulation

在接收端,FDM信号通过解调得到\( m_b(t) \),将其通过\( n \)个带通滤波器,每个滤波器都以\( f_i \)为中心,且具有\( B_i \)的带宽,就可以将信号分割为多个成员部分,各部分经过解调后恢复为原始信号。

FDM Demodulation

8.1.2 模拟载波系统

AT&T的分级FDM机制:

AT&T FDM

8.1.3 波分复用 WDM

波分复用是光纤通信中使用的一种复用方式。使用WDM时,由多种颜色或波长组成的光穿过光纤,每一种波长都携带一个独立的数据信道。

WDM

8.2 同步时分复用 STDM

同步时分复用在不同的时间内交错地传输每个信号中的一部分,使得多路数字信号可以用一条传输通路运载。

所有的数据被组织成“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,也可以是字符级或者更大地粒度。

TDM

同步TDM的时隙预先分配给数据源,并且是固定的。无论数据源有没有数据需要发送,所有数据源的时隙都会被传输。

可以替代同步TDM的是统计TDM,统计复用器按需动态分配时隙。

8.2.2 TDM链路控制

组帧

没有必要使用链路控制协议来管理TDM链路。但需要使用一些手段来保证帧的同步。

最常用的组帧机制是称为增加数字组帧的技术,通常每个TDM帧附加一个控制比特,典型的比特为101010……为了保持同步,接收器将接收到的帧中的比特与预期的模式相比较,如果模式不匹配,则接着搜索下一个比特,直到这个模式在多个帧里稳定传输。如果模式中断,接收器必须再次进入帧同步搜索模式。

脉冲填充

使用脉冲填充时,复用器输出的数据率(不包括帧定位比特)比此时进入的数据率之和还要高。额外的容量被向个输入信号中填充的附加比特或脉冲所消耗,直至其速率被提高到本地生成的时钟信号速率为止。填充脉冲被插入到复用器帧格式的固定位置上,以便复用器能够识别并删除它们。

8.2.3 数字载波系统

  • AT&T分级TDM结构;
  • TDM多路电话通信系统
    • E体系:2.048Mbps,欧洲、中国、国际传输
    • T体系:1.544Mbps,北美、日本

8.2.4 SONET/SDH

同步光纤网络(SONET)是一种光纤传输接口,另一种可兼容的版本称为同步数字体系(SDH)。SONET的目标是为了提供一种能够充分利用光纤的高速数字传输容量的规约。

8.3 电缆调制解调器

电缆调制解调器(cable modem)是让用户能够通过有线电视网访问因特网和其他在线服务的设备。通常使用的是统计时分复用方式。

  • 让用户通过有线电视网访问Internet
  • 两条专用信道,每个信道被多个用户共享
  • 为了支持有线电视节目和数据信道,电缆频谱分为3段:
    • 用户到网络的数据(上行):5-40MHz
    • 电视节目传播(下行):50-550MHz
    • 网络到用户的数据(下行):550-750MHz

8.4 非对称用户线路 ADSL

8.4.1 ADSL设计

  • 最低的25kHz是为话音保留的,称为POTS(传统电话业务),话音只在0-4kHz中承载,另外的带宽用于防止话音和数据信道间的串扰。
  • 在分配较小的上行流频带和较大的下行流频带时,或者使用回声抵消,或者使用FDM。
  • 上行流和下行流频带内部使用FDM。单个比特流被分解成多个并行的比特流,并且每个比特流以一个独立的频带承载。

8.4.2 离散多音调 DMT

离散多音调(Discrete Multitone)在不同频率使用多个载波信号,有效频带被划分为4kHz子信道。

DMT

DMT调制解调器在每路信道上发送测试信号,判断SNR,根据SNR分配比特。

8.4.3 宽带接入配置

ADSL

在客户端,通过一个分离器可以同时提供电话和数据服务。数据服务使用DSL调制解调器。

在提供者端也需要分离器,将电话服务与因特网服务分隔开。话音通信量被连接到公共交换电话网;数据通信量连接到DSL接入复用器(DSLAM)上,将多个客户的DSL连接复用到一个高速异步传递方式(ATM)线路上,再连接到一个提供了因特网入口点的路由器。

8.5 xDSL

  • 高速率数字用户线路 HDSL
  • 单线数字用户线路 SDSL
  • 甚高数据率数字用户线 VDSL

8.6 多信道接入

  • 频分双工 FDD
  • 时分双工 TDD
  • 频分多址 FDMA
  • 时分多址 TDMA

FDD and TDD

FDMA and TDMA

第九章 广域网技术和协议

9.1 交换式通信网

  • 需要通信的终接设备称为站点(station)
  • 用于提供通信功能的交换设备称为结点(node)
  • 结点通过传输链路以某种拓扑结构相互联结在一起
  • 每个站点都要连接到一个结点上
  • 这些结点的集合称为通信网络(communications network)

Communications Network

在交换式(switched)通信网络中,数据从一个站点进入网络后,经过由一个结点到另一个结点的交换,最后被传递到目的地。

广域交换网使用的是两种差别很大的技术:电路交换和分组交换。主要区别在于信息从源点传输到终点的途中,结点将这些信息从一条链路交换到另一条链路时采取的方式不同。

9.2 电路交换网络

经由电路交换的通信,每两个站点之间有一条专用的通信通路。这条通路是由网络结点之间的链路首尾相接形成的链路序列。在每条物理链路上都有该连接专用的逻辑信道。经由电路交换的通信包括如下3个步骤:

  1. 电路建立:在能够发送任何信号之前,首先必须建立一条端到端(站点到站点)的电路。
  2. 数据传送:数据既可以是模拟的,也可以是数字的,取决于网络的性质。一般来讲连接是全双工的。
  3. 电路断连:经过一段时间的数据传输之后连接被终止,通常是由这两个站点中的某个站点发起的动作。

电路交换的应用:

  • 公用电话网
  • 数据交换
  • 专用小交换机(Private Branch eXchange, PBX)

一个公用电信网络的组成部分:

  • 用户:与网络连接的设备。
  • 用户线路:用于和网络之间的链路,又称为用户环路本地环路
  • 交换局:网络的交换中心。能够直接支持用户的交换中心称为端局。
  • 中继线:交换局之间的干线线路。

9.3 电路交换的概念

Switch

现代电路交换系统的心脏是数字交换机(digital switch)。数字交换机的功能是向与其相连的任意一堆设备提供透明的信号通路。该通路的透明性体现在对于两个相连设备而言,它们之间似乎存在直接连接。一般情况下该连接必须允许全双工传输。

网络接口(network interface)部分代表的是将数字设备连接到网络上所需的功能及硬件,如数据处理设备或数字电话等。

控制单元(control unit)要完成3类任务:建立连接、维护连接、拆除连接。

电路交换设备的一个重要特性是,它是有阻塞的还是无阻塞的。当网络的两个站点之间因所有通路都在使用而无法建立连接时就发生了阻塞。阻塞网络指的是有可能出现此类阻塞情况的网络;无阻塞网络允许所有站点同时建立连接(成对的),所有可能的连接请求都能够被接受,只要被叫方空闲。对于数据应用,要求使用无阻塞或“接近无阻塞”(阻塞的概率非常低)的设置。

9.3.1 空分交换

空分交换机就是信号通路与信号通路从物理上被分隔开(空间分隔)的交换机。每次链接都需要建立一条经过该交换机的物理通路,该通路完全专用于这两个端点之间的信号传送。交换机的基本构成模块是金属交叉点,或可以由控制单元闭合或断开的半导体门电路。

  • 交叉点的数量以相连站点数量的平方数上升。对于大型交换机,其代价不菲。
  • 一个交叉点的损坏使得在该交叉点上相交的线路所属的设备之间无法连接。
  • 交差点的利用率很低,哪怕所有的连接设备都处于活跃状态,也只有一小部分交差点被占用。

为了克服上述限制,采用了多级交换。

  • 交叉点的数量减少,从而提高了纵横矩阵的利用率。
  • 有多条通路可以通过该网络连接两个端点,从而提高了可靠性。

使用多级空分交换需要更加复杂的控制机制,也可能被阻塞。

9.3.2 时分交换

所有的现代电路交换机都是用数字时分技术来建立及维护“电路”。时分交换手段设计将低速率的比特流分割成许多小块,然后与其他比特流一起共享速率较高的容量。

9.3.3 时隙交换

很多时分交换机的基础构件是时隙交换(Time-Slot Interchange, TSI)机制。TSI单元对同步TDM时隙流(或者说信道)进行操作,通过时隙对的互换来实现全双工的操作。

9.3.4 时间复用交换

为了克服TSI的延迟问题,当代的时分交换机使用多个TSI单元,每个单元承载总通信量的一部分。这种技术称为时间复用交换(Time-Multiplexed Switching, TMS)。

9.4 软交换体系结构

本质上,软交换是在通用计算机上运行的专门软件,它可以将计算机变成一个智能电话交换机。软交换和传统电路交换相比,不仅大大节省了费用,而且可以提供更多的功能。特别是除了处理传统的电路交换功能之外,还能够将数字化的话音比特流转换成分组。

在软交换的领域里,物理交换功能由媒体网关(Media Gateway, MG)执行,而呼叫处理逻辑则位于媒体网关控制器(MGC)中。

Switch V.S.

9.5 分组交换原理

分组交换与电路交换相比有以下优点:

  • 线路的效率较高,因为单条结点到结点的链路在一段时间内可以被许多分组动态地共享。
  • 分组交换网络能够完成数据率之间的转换。
  • 当电路交换网络中的通信量变得非常拥挤时,某些呼叫会被阻塞。在分组交换网络中,分组仍然能够被接受,只是传递的时延增长。
  • 能够使用优先级别。优先级较高的分组会被优先传输。

9.5.1 交换技术

网络试图让这些分组沿一定的路由经过网络,并将它们交付给意图到达的目的地,使用了两种方式:数据报和虚电路。

Packet Switching

数据报(datagram)方式中,每个分组被视为是独立的,和之前发送的分组之间并没有关系。在前进的道路上,每个节点为分组选择下一个结点,选择结点时考虑的因素有来自相邻结点的有关通信量的信息、线路故障等。因此,这些分组虽然具有相同的地址,但并不是沿着相同的路由前进,并且很可能失序地到达出口结点。

  • 无呼叫建立过程
  • 更加灵活
  • 更加可靠(如果某一个结点出现故障,其后的分组都可以找到替换路由)

虚电路(virtual circuit)方式中,在发送任何数据报之前,首先要建立一条预定的路由。一旦路由建立,在通信双方之间的所有分组都沿相同的路由穿过网络。此时除了数据之外,每个分组还含有一个虚电路标识。在这条预先建立的路由上,每个结点都知道应该如何引导这些分组,因而不需要路由选择判断。

  • 按序传输、差错控制
  • 没有必要选择路由,传输速度快

9.5.2 分组大小

Packet Size and Transmission Time

9.5.3 外部网络接口

(略)

9.5.4 电路交换和分组交换的对比

性能

  • 传播时延:信号从一个结点传播到下一个结点所需的时间。
  • 传输时间:发送器向外发送一块数据所需要的时间。
  • 结点时延:结点在交换数据时完成必要的处理过程所用的时间。

Event Timing

  • 电路交换:传播前建立连接,呼叫接收信号的返回不会有时延,因为连接已经建立。一旦连接建立,报文就以单块数据的形式发送,各交换节点的时延可以忽略。
  • 虚电路分组交换:使用呼叫请求分组,请求建立一条虚电路,在每个节点上引起时延。呼叫的接受过程也需要经历结点的时延。一旦虚电路建立,报文就以分组的形式传输。
  • 数据包分组交换:不需要建立过程,对于短报文,它比虚电路分组交换快,甚至可能比电路交换还快。不过,每个数据报独立选择路由,所以在每个节点上处理需要更多的时间。

其他特性

电路交换数据包分组交换虚电路分组交换
专用的传输通路没有专用通路没有专用通路
连续的数据传输分组传输分组传输
足够快,可交互足够快,可交互足够快,可交互
报文不保存传递前可能要保存传递前必须保存
在整个会话过程建立通路为每个分组建立路由为整个会话过程建立路由
呼叫建立时延;传输时延可忽略分组传输时延呼叫建立时延;分组传输时延
如果被叫方忙则返回忙信号如果分组没有交付可能会通知发送方向发送方通知连接被否决
超负荷可能会阻塞呼叫的建立;对于已建立的呼叫没有时延超负荷会增加分组时延超负荷可能会阻塞呼叫的建立;增加分组时延
机电式或计算机式交换节点小型交换节点小型交换节点
用户负责对丢失报文的保护网络可能会对单个分组负责网络可能会对分组序列负责
通常没有速率或编码转换有速率和编码转换有速率和编码转换
固定带宽传输动态使用带宽动态使用带宽
在呼叫建立后没有额外开销比特每个分组中都有额外开销比特每个分组中都有额外开销比特

《表格分割线》

电路交换的服务在本质上是透明的。而在分组交换中不是这样,分组交换会带来变换的时延,数据以断断续续的房市到达。同时,电路交换无需额外开销;而分组交换中模拟数据必须转换为数字数据,且每个分组中都含有目的地址等额外开销比特。

9.6 异步传递方式

异步传递方式是一种交换和复用技术,它采用小的、固定长度的分组,称为信元(cell)。选择固定长度的分组,则时延的变化小,保证了交换和服用功能的高校实现。选择信元长度小,主要是为了打包时延小,从而支持了对时延无法容忍的交互话音服务。

ATM的目标:

  • 期望解决所有的网络和通信问题
  • 语音,数据,有线电视,电报等合并到一个集成系统

9.6.1 ATM逻辑连接

ATM中的逻辑连接称为虚通路连接(VCC)。VCC类似于虚电路,它是ATM网络中最基本的交换单元。VCC经由网络在两个端用户之间建立,通过这条连接所交换的是速率可变的、全双工的、长度固定的信元流。VCC也可用于用户和网络之间的交换(控制信令)以及网络和网络之间的交换(网络管理和路由选择)。

ATM Network

ATM引入了第二个处理子层,负责虚通道链接的概念。一个虚通道连接(VPC)就是一群具有相同端点的VCC。流经所有属于某个VPC中的VCC上的所有信元都是在一起进行交换的。

使用虚通道的好处有:

  • 简化了网络体系结构
  • 提高网络的性能与可靠性
  • 减少处理过程并缩短连接建立时间
  • 增强的网络服务

虚通道/虚通路的特性

  • 服务质量(QoS)
  • 交换的和半永久的虚通路连接
  • 信元序列完整性
  • 通信量参数协商和使用监控
  • VPC内的虚通路标识符限制

控制信令

VCC建立/释放功能的4种方式:

  1. 半永久VCC可用于用户到用户的交换,这种情况下不需要任何控制信令。
  2. 如果没有预先建立的呼叫控制信令通路,必须先建立一个。此时需要一条永久通路,可能是低数据率的,但可用于建立VCC。这种通路称为元信令通路
  3. 元信令通路可用于在用户和网络之间为呼叫控制信令建立一条VCC,然后这条用户到网络的信令虚通路可以用来建立运载用户数据的VCC。
  4. 元信令通路也可以用于建立用户到用户的信令虚通路。这种通路必须建立在一条预先建好的VPC内,然后才可能允许两个端用户在没有网络干预的情况下建立或释放从用户到用户的运载用户数据的VCC。

VPC建立/释放的3种方式:

  1. 通过预先达成的约定,VPC可以被建立在半永久的基础上。在这种情况下不需要任何控制信令。
  2. VPC的建立/释放可能是用户控制的。在这种情况下,客户利用一条信令VCC向网络请求VPC。
  3. VPC的建立/释放可能是网络控制的。在这种情况下,网络根据自己的方便建立一条VPC。这条通道可能是网络到网络的、用户到网络的或者是用户到用户的。

9.6.2 ATM信元

异步传递方式利用了固定长度的信元,由5个八位组的首部和48个八位组的信息字段组成。

  • 一般流量控制(GFC)
  • 虚通道标识符(VPI)
  • 有效载荷类型(PT)
  • 信元丢失优先级(CLP)
  • 首部差错控制(HEC)

期末考试复习知识点

7 数据链路控制协议

  • 概念
  • 流量控制(时延和利用率分析)
    • 停止等待
    • 滑动窗口
  • ARQ
    • Stop and Wait
    • Go Back N
    • Selective Reject
  • HDLC
    • 数据链路控制协议
    • 站点类型
    • 链路设置
    • 帧结构(注意传输的真正有效比特数)

8 复用

  • 频分复用
    • 框架图(高频载波调制、复合、带通滤波、解调)
    • 光学 \( \longrightarrow \) 波分复用
  • 时分复用
    • 每一帧都是一样长的
    • 链路控制:框架图
    • 书上P173例子:既有模拟数据,又有数字数据
  • 应用
    • 数字载波系统
    • 非对称用户线路

9 交换和网络(?)

  • 电路交换
    • 过程的3个部分
    • 空分交换(计算题:交叉点数目?)
    • 多级交换
  • 分组交换
    • 目的
    • 方法:数据报和虚电路
    • 理解书本P199两种方法的示意图
    • 差异:寻址方式、到达顺序
    • 数据报大小、传输时间
  • 三种传输的时间对比
  • 了解ATM和VPC/VCC

10 蜂窝网络

  • 原因
  • 六边形结构
  • 频率重用(计算题, P216例)
  • 呼叫过程
  • 衰落:反射、散射、衍射
  • 12345G
  • LTE时分双工、频分双工
  • 载波聚合