本章首先讨论物理层的基本概念，然后介绍有关数据通信的重要概念，以及各种传输媒体的主要特点，但传输媒体本身并不属于物理层的范围。在讨论几种常用的信道复用技术后，我们对数字传输系统进行简单介绍。最后再讨论几种常用的互联网接入技术。

本章所讨论的问题很多都不属于计算机网络的范畴。对于已具备一些必要的通信基础知识的读者，可以有选择地学习本章的有关部分。

本章最重要的内容如下。

（1）物理层的任务。
（2）数据通信的几个基本概念。
（3）几种常用的信道复用技术。
（4）几种常用的互联网接入技术。

2.1 物理层的基本概念

首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。其实物理层规程就是物理层协议。只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。

物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如下所述。

（1）机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。常见的各种规格的电源接插件都有严格的标准化的规定。
（2）电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
（4）过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

大家知道，数据在计算机中多采用并行传输方式。但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。

具体的物理层协议种类较多。这是因为物理连接的方式很多（例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接），而传输媒体的种类也非常之多（如双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等）。因此在学习物理层时，应将重点放在掌握基本概念上。

考虑到使用本教材的一部分读者可能没有学过“接口与通信”或有关数据通信的课程，因此2.2节将简单地介绍一下有关现代通信的一些最基本的知识和最重要的结论。对于已具有这部分知识的读者可略过这部分内容。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

下面我们通过一个最简单的例子来说明数据通信系统的模型。这个例子就是两台PC经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

如图2-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分。

• 源点（source）：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。
• 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分。

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
• 终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后进行信息输出（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线路，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

图2-1所示的数据通信系统，说它是计算机网络也可以。这里我们使用数据通信系统这个名词，主要是为了从通信的角度来介绍一个数据通信系统中的一些要素，而有些数据通信的要素在计算机网络中可能就不去讨论它们了。

下面我们先介绍一些常用术语。

通信的目的是传送消息（message）。例如，话音、文字、图像等都是消息。数据（data）是运送消息的实体。信号（signal）则是数据的电气或电磁表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类。

• 模拟信号，或连续信号——消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号，或离散信号——消息的参数的取值是离散的。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

在许多情况下，我们要使用“信道（channel）”这一名词。信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道，但也可以包含许多个信道。

2.2.2 编码与调制

要利用信道传输数据，必须将数据转换为能在传输媒体上传送的信号。信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。通常人们将数字数据转换成数字信号的过程称为编码（coding），而将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制（modulation）。

（1）常用编码方式

常用编码方式如图2-2所示。

• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，每个比特包含一次跳变。比特1从高电平变为低电平，而比特0从低电平变到高电平（也可采用相反的约定，即1是“前低后高”而0是“前高后低”）。接收端可以很容易地利用这个比特信号的电平跳变来提取信号时钟频率，并与发送方保持时钟同步。但是曼彻斯特编码的缺点就是它所占的频带宽度比原始信号增加了一倍（因为信号变化的频率加倍了）。这种能从信号波形本身中提取信号时钟频率的能力，我们称为自同步能力。显然不归零制没有自同步能力，而曼彻斯特编码具有自同步能力。

（2）基本的调制方法 矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量，被称为基带信号（即基本频带信号），在数字信道上直接传输基带信号的方法称为基带传输。基带信号往往包含较多的低频成分，甚至直流成分。而许多模拟信道仅能通过某一频率范围的信号，不能直接传输这种基带信号。因此必须对基带信号进行调制，使它能够在模拟信道中传输。在很多情况下，需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

最基本的带通调制方法有以下3种（见图2-3）。

① 调幅（Amplitude Modulation，AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
② 调频（Frequency Modulation，FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
③ 调相（Phase Modulation，PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0°或180°。 在数字通信中，调幅、调频和调相相应地称为幅移键控（Amplitude-Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）。实现调制和解调功能的设备称为调制解调器（modem）。 为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），这里从略。

有了上述的一些基本概念之后，我们再讨论如何提高数据传输速率的途径。

2.2.3 信道的极限容量

几十年来，通信领域的学者一直在努力寻找提高数据传输速率的途径。这个问题很复杂，因为任何信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真。我们知道，数字通信的优点就是，在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。例如，图2-4给出了数字信号通过实际的信道会引起输出波形失真的示意图。我们可以看出，当失真不严重时（图2-4（a）），在输出端还可根据已失真的输出波形还原出发送的码元来。但当失真严重时（图2-4（b）），在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0。码元是承载信息的基本信号单位，一个码元能够承载的信息量多少，是由码元信号所能表示的数据有效值状态个数决定的。单位时间内通过信道传输的码元数称为码元传输速率。为了提高信息的传输效率，我们总是希望在一定的时间内能够传输尽可能多的码元。但实际上，码元传输的速率越高，信号传输的距离越远，噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就会越严重。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个方面。

（1）信道能够通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。像如图2-4所示的发送信号是一种典型的矩形脉冲信号，它包含很丰富的高频分量。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，扩散了的码元波形所占的时间变得更宽了。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫作码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得很模糊而无法识别。早在1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限：

理想低通信道 的最高码元传输速率 = 2W Baud （2-1）

理想带通信道 的最高码元传输速率 = W Baud （2-2）

这里W是信道带宽，单位为赫（Hz）；Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元，每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。

通过奈氏准则我们知道：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，以致在接收端无法正确识别在发送方所发送的码元。另外，如果信道的频带越宽，也就是能通过的信号频率范围越大，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

这里我们要强调以下两点。

① 上面所说的具有理想低通或带通特性的信道是理想化的信道，它和实际上所使用的信道当然有相当大的差别。所以一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。
② 波特和比特是两个不同的概念。

波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。

比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。

但是，信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1 bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上是相等的。但若使1个码元携带n bit 的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M  n bit/s。由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制（又称为多进制）的调制方法。假定有一个带宽为3 kHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000 Baud。若采用8元制时（如采用8种不同电平的不归零编码方式），每一个码元可携带3 bit的信息，则最高信息传输速率为18000 bit/s。那是不是采用多元制就能无限制地提高信息的传输速率呢？答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。

（2）信噪比

虽然通过采用多元制能提高信息的传输速率，但并不能无限制地提高，因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。1948年，香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。如用公式表示，则信道的极限信息传输速率C可表达为

C = W log2（1+S/N） bit/s （2-3）

式中，W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

式（2-3）就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

从香农公式可看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（实际的信道当然不可能是这样的），那么信道的极限信息传输速率C也就没有上限。因此在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制和努力提高信道中的信噪比。自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

2.2.4 传输方式

对于数字传输，有各种不同的传输方式，例如，并行传输和串行传输、异步传输和同步传输，以及单工、半双工和全双工通信方式。

1．并行传输和串行传输

并行传输，是指一次发送n个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。

串行传输，是指数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端和接收端之间只需要一条传输线路即可。

并行传输的优点是速度为串行传输的n倍，但也存在一个严重的缺点，即成本高，通常仅用于短距离传输。例如，计算机内部的数据传输。常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位。而远距离传输一般采用串行传输方式。因此，在计算机将数据发送到传输线路上时需要进行并/串转换，而计算机从传输线路上接收数据时要进行串/并转换。

2．异步传输和同步传输

我们知道，收发双方必须对每一个比特在线路上持续的时间达成一致，接收端才能正确地接收数据。同步就是指收发双方在时间基准上保持一致的过程。同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。人们常说的异步传输和同步传输是指两种采用不同同步方式的传输方式。

异步传输以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。这里异步是指在字节级上的异步，但是字节中的每个比特仍然要同步，它们的持续时间是相同的。

采用同步传输方式时，数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和结束位。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，为避免在传输大量数据的过程中累积误差所导致的错误，要采取技术使收发双方的时钟保持同步。实现收发双方时钟同步的方法主要有两种，即外同步和内同步。外同步方法是在发送端和接收端之间提供一条单独的时钟线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端根据接收到的时钟同步信号来校正时间基准，实现收发双方的同步。内同步方法是发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输，如曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都自含时钟编码，具有自同步能力。

3．单工、半双工和全双工

从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。

（1）单向通信，又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播，以及电视广播就属于这种类型。
（2）双向交替通信，又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
（3）双向同时通信，又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。这里要提醒读者注意，有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播；而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输，常称为无线传输。图2-5是电信领域使用的电磁波的频谱。

2.3.1 导引型传输媒体

1．双绞线

双绞线（Twisted Pair）也称为双扭线，它是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则绞合（twist）起来就构成了双绞线。绞合可减小对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话机都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路（subscriber loop）。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几千米。距离太长时就要加放大器，以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器，以便将失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几千米。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛，如局域网中就主要使用双绞线作为传输媒体。

为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）。它的价格当然比无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）要贵一些。图2-6是双绞线的示意图。

1991年，美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）和电信工业协会（Telecommunications Industries Association，TIA）联合发布了一个标准EIA/TIA-568，它的名称是“商用建筑物电信布线标准（Commercial Building Telecommunications Cabling Standard）”，这个标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准（从1类线到5类线）。对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线（Category 5或CAT5）。5类线与3类线最主要的区别就是大大增加了每单位长度的绞合次数。3类线的绞合长度是7.5～10 cm，而5类线的绞合长度是0.6～0.85 cm。图2-6（c）表示5类线具有比3类线更高的绞合度。此外，5类线在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了更精心的设计，并在生产中加以严格的控制，使干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了线路的传输速率。表2-1给出了常用的绞合线的类别、带宽和典型应用。

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减，但却增加了导线的价格和重量。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

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（也可以是单股的）及保护塑料外层所组成（见图2-7）。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。

同轴电缆的这种结构和屏蔽性使得它有比双绞线高得多的带宽和更好的抗干扰特性。现代的同轴电缆可以达到1 GHz的带宽。过去，同轴电缆在电话系统中广泛地用于长途线路，但是现在，在长途干线上大部分已经被带宽更高的光纤所取代。在局域网发展的初期，曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但由于同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。

3．光纤

从20世纪70年代到现在，通信和计算机都发展得非常快。近30多年来，计算机的运行速度大约每10年提高10倍。但在通信领域里，信息的传输速率则提高得更快，从20世纪70年代的56 kbit/s提高到现在的几个到几十个Gbit/s（使用光纤通信技术），相当于每10年提高100倍。因此光纤通信就成为现代通信技术中的一个十分重要的领域。

光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为105 GHz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作成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角（见图2-8）。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

图2-9画出了光波在纤芯中传播的示意图。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输数千米而基本上没有什么衰耗。这一点乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素。

图2-9中只画了一条光线。实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤（见图2-10（a））。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐被展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤（见图2-10（b））。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造成本较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在2.5 Gbit/s或10 Gbit/s的高速率下可传输数十千米而不必采用中继器。

光信号经过长距离的传输总是会衰减的，对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。早期的方法要先把光信号转换成电信号，经过电放大器放大后，再转换成为光信号。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）。它是一种光放大器，不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大，两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120 km。

在光纤通信中，常用的三个波段的中心分别位于0.85um, 1.30 um和1.55um。后两个波段的衰减较小，0.85 um波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好。所有这三个波段都具有25000 ~ 30000 GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

由于光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2 mm。因此必须将光纤作成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几千克，完全可以满足工程施工的强度要求。图2-11为四芯光缆剖面的示意图。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有以下一些特点。

（1）传输损耗小，对远距离传输特别经济。
（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
（4）体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1 km长的1000对双绞线电缆约重8000 kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100 kg。

但光纤也有一定的缺点。这就是要将两根光纤精确地连接需要专用设备。目前光电接口还较贵，但价格是逐年下降的。

光纤通常用在主干网络中，因为它提供了很高的带宽，所以其性价比很高。在有线电视网中光纤提供主干结构，而同轴电缆则提供到用户住所的连接。光纤还用于高速局域网中。

2.3.2 非导引型传输媒体

前面介绍了3种导引型传输媒体。但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设缆线也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设缆线既昂贵又费时。利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信，但其最大的缺点就是容易被干扰，保密性差。由于这种通信方式不使用上一节所介绍的各种导引型传输媒体，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

特别要指出的是，由于信息技术的发展，社会各方面的节奏变快了。人们不仅要求能够在运动中进行电话通信（即移动电话通信），而且还要求能够在运动中进行计算机数据通信（俗称上网）。因此在最近十几年无线电通信发展得特别快，因为利用无线信道进行信息的传输，是在运动中通信的唯一手段。

无线传输可使用的频段很广。从前面给出的图2-5可以看出，人们现在已经利用了好几个波段进行通信。紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。图2-5的最下面还给出了国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）对波段取的正式名称。例如，LF波段的波长是从1 km到10 km（对应于30 kHz到300 kHz）。LF, MF和HF的中文名字分别是低频、中频和高频。更高的频段中的V, U, S和E分别对应于Very, Ultra, Super和Extremely，相应的频段的中文名字分别是甚高频、特高频、超高频和极高频，最高的一个频段中的T是Tremendously的缩写，目前尚无标准译名。在低频LF的下面其实还有几个更低的频段，如甚低频VLF、特低频ULF、超低频SLF和极低频ELF等，因不用于一般的通信，故未画在图中。

短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应（多径效应就是同一个信号经过不同的反射路径到达同一个接收点，但各反射路径的衰减和时延都不相同，使得最后得到的合成信号失真很大）使得短波信道的通信质量较差。

微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300 MHz ~ 300 GHz（波长1 m~ 10 cm），但主要是使用2 ~ 40 GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由于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。传统的微波通信主要有两种主要的方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50 km左右。但若采用100 m高的天线塔，则传播距离可增大到100 km。为实现远距离通信必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。大多数长途电话业务使用4 GHz ~ 6 GHz的频率范围。

微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。但微波接力通信的相邻站之间必须直视，不能有障碍物。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。

常用的卫星通信方法是，在地球站之间利用位于约3.6万千米高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。可见卫星通信的主要优缺点应当大体上和地面微波通信差不多。

卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步地球卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1.8万千米，面积约占全球的三分之一。只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120°的卫星，就能基本上实现全球的通信。

和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。为了避免产生干扰，卫星之间相隔如果不小于2°，那么整个赤道上空就只能放置180个同步卫星。好在人们已设想出来可以在卫星上使用不同的频段来进行通信，因此总的通信容量还是很大的。

卫星通信的另一个特点是具有较大的传播时延。由于各地球站的天线仰角并不相同，因此不管两个地球站之间的地面距离是多少（相隔一条街或相隔上万千米），从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延均在250 ~ 300 ms。一般可取为270 ms。这和其他的通信有较大差别（请注意：这和两个地球站之间的距离没有什么关系）。对比之下，地面微波接力通信链路的传播时延一般取为3.3 us/km。

请注意，“卫星信道的传播时延较大”并不等于“用卫星信道传送数据的时延较大”。这是因为传送数据的总时延除了传播时延外，还有传输时延、处理时延和排队时延等部分。传播时延在总时延中所占的比例有多大，取决于具体情况。但利用卫星信道进行交互式的网上游戏显然是不合适的。

卫星通信非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性是较差的。

通信卫星本身和发射卫星的火箭造价都较高。受电源和元器件寿命的限制，同步卫星的使用寿命一般只有7 ~ 8年。卫星地球站的技术较复杂，价格还比较贵。这些都是选择传输媒体时应全面考虑的。

除上述的同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始使用。低轨道卫星相对于地球不是静止的，而是不停地围绕地球旋转，为了提供对一个区域的连续覆盖，需要在轨道上放置多颗卫星。由于低轨道卫星离地球很近，因此轻便的手持通信设备都能够利用卫星进行通信。

从20世纪90年代起，无线移动通信和因特网一样，得到了飞速的发展。与此同时，使用无线信道的计算机局域网也获得了越来越广泛的应用。我们知道，要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的（只要不干扰他人在这个频段中的通信），这正好满足计算机无线局域网的需求。图2-12给出了美国的ISM频段，现在的无线局域网就使用其中的2.4 GHz和5.8 GHz频段（5.8 GHz频段有时也可简称为5 GHz频段）。ISM是Industrial, Scientific, and Medical（工业、科学与医药）的缩写，即所谓的“工、科、医频段”。

红外通信、大气激光通信也是使用非导引型媒体。例如，红外通信可用于近距离在笔记本电脑之间相互传送数据。

2.4 信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。

图2-13（a）表示A1, B1和C1分别使用一个单独的信道和A2, B2和C2进行通信，总共需要三个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。共享信道的具体方法则取决于所使用的复用技术（不是简单地相加）。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。图2-13（b）是复用的示意图，表示在共享信道传送的是复用的信号。当然复用要付出一定代价（共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器）。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）就是将传输线路的频带资源划分成多个子频带，形成多个子信道。当多路信号输入一个多路复用器时，这个复用器将每一路信号调制到不同频率的载波上。接收端由相应的分用器通过滤波将各路信号分开，将合成的复用信号恢复成原始的多路信号。

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术将传输线路的带宽资源按时间轮流分配给不同的用户，每个用户只在分配的时间里使用线路传输数据。当多个低速设备产生的信号输入一个多路复用器时，复用器按照一定的周期顺序将这些信号依次发送到一条高速复用链路上。在接收端再由相应分用器按同样的顺序将这些信号分离出来恢复成原始的多路信号。

频分复用和时分复用是最基本的信道复用技术。频分复用的特点如图2-14（a）所示，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频带资源。而时分复用将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。为了简单起见，在图2-14（b）中只画出了4个用户A, B, C和D。每一个用户所占用的时隙是周期性出现的（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也称为等时（isochronous）信号。可以看出，时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。例如，传统的电话通信每一个标准话路的带宽是4 kHz（即通信用的3.1 kHz加上两边的保护频带），那么若有1000个用户进行频分复用，则复用后的总带宽就是4 MHz。但在使用时分复用时，每一个时分复用帧的长度是不变的，如125 us。若有1000个用户进行时分复用，则每一个用户分配到的时隙宽度就是125 us的千分之一，即0.125 us，时隙宽度变得非常窄。我们应注意到，时隙宽度非常窄的脉冲信号所占的频谱范围也是非常宽的。

在进行通信时，复用器（multiplexer）总是和分用器（demultiplexer）成对使用的。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

当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，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时（如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息），那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。图2-15说明了这一概念。这里假定有4个用户A，B，C和D进行时分复用。复用器按A→B→C→D的顺序依次对用户的时隙进行扫描，然后构成一个个时分复用帧。图中共画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。可以看出，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高。

统计时分复用（Statistic TDM，STDM）是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。图2-16是统计时分复用的原理图。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到远地计算机。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个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。因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。我们还可看出，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现的。因此统计复用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。这里应注意的是，虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡的。假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存将溢出。因此集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户的，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销。在图2-16的输出线路上每个时隙之前的短时隙（白色）就是用来放入这样的地址信息的。使用统计时分复用的集中器也叫智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力（但大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特），通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外，许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。

最后要强调一下，TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧。这种“帧”和我们以后要讨论的数据链路层的“帧”是完全不同的概念，不可弄混。

2.4.2 波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。现在人们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。这样就得出了波分复用这一名词。最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号，于是就使用了密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）这一名词。在2006年已经有了在一根光纤上复用64路40 Gbit/s的商品，其数据率达到2.56 Tbit/s。

尽管WDM这种技术非常复杂，但其基本原理是非常简单的。普通物理知识告诉我们，棱镜或光栅可以根据入射角和波长将几束光合成一道光，也可以将合成光分离成多束光。其概念如图2-17所示。

在地下铺设光缆是耗资很大的工程。因此人们总是在一根光缆中放入尽可能多的光纤（例如，放入100根以上的光纤），然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。因此，对于具有100根速率为2.5 Gbit/s光纤的光缆，采用40倍的密集波分复用，得到一根光缆的总数据率为100  100 Gbit/s，或10 Tbit/s。

2.4.3 码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是另一种共享信道的方法。实际上，由于该技术主要用于多址接入（本书中我们不严格区分多址与复用），人们更常用的名词是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信的，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。随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛应用于民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减小干扰对通信的影响，增大通信系统的容量（是使用GSM 的4 ~ 5倍），降低手机的平均发射功率等。下面简述其工作原理。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m的值是64或128。在下面的原理性说明中，为了画图简单起见，我们设m为8。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列（chip sequence）。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8 bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为–1，将1写为+1。因此S站的码片序列是（–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1）。

现假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。扩频通信通常有两大类。一种是直接序列（direct sequence），如上面讲的使用码片序列就是这一类，记为DS-CDMA。另一种是跳频（frequency hopping），记为FH-CDMA。

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必须各不相同，并且还必须互相正交。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

图2-18是CDMA的工作原理。设S站要发送的数据是1 1 0三个码元。再设CDMA将每一个码元扩展为8个码片，而S站选择的码片序列为（–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1）。S站发送的扩频信号为Sx。我们应当注意到，S站发送的扩频信号Sx中，只包含互为反码的两种码片序列。T站选择的码片序列为（–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1），T站也发送1 1 0三个码元，而T站的扩频信号为Tx。因所有的站都使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。对于我们的例子，所有的站收到的都是叠加的信号Sx• Tx。

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算S•Sx和S•Tx，然后再求它们的和。显然，后者是零，而前者就是S站发送的数据比特。

2.5 数字传输系统

2.5.1 PCM速率体制

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线采用的是最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。数字通信与模拟通信相比，无论是传输质量上还是经济上都有明显的优势。目前，长途干线大都采用时分复用TDM的数字传输方式。因此，现在的模拟线路就基本上只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几千米长的用户线上。

将模拟电话信号转换为数字信号目前采用的都是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）技术，将一路模拟电话信号转换为64 kbit/s的PCM数字脉冲信号。为了充分利用高速传输线路的带宽，通常将多路PCM信号用TDM方法汇集成时分复用帧，按某种固定的复用结构进行长途传输。由于历史上的原因，国际上存在两个互不兼容的PCM复用速率标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544 Mbit/s，E1的速率是2.048 Mbit/s。

当需要有更高的数据率时，可以采用多次复用的方法。例如，4个一次群（第一次复用）就可以构成一个二次群（第二次复用）。当然，一个二次群的数据率要比4个一次群的数据率的总和还要多一些，因为复用后还需要有一些用于同步的码元。表2-2给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本的一次群用T1，但自己另有一套高次群的标准。虽然PCM复用体制最初是用来复用多路PCM数字话音信号的，但同样可以为各种业务的数据传输提供不同速率的传输电路。

2.5.2 SONET/SDH

现代电信网早已不只话音这一种业务，还包括视频、图像和各种数据业务。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。光纤的高带宽适用于承载今天的高数据速率业务（如视频会议）和大量复用的低速率业务（如话音）。基于这个原因，光纤和要求高带宽传输的技术一起共同发展。虽然PCM复用体制可以为各种业务的数据传输提供不同速率的传输电路，但早期的数字传输系统存在着许多缺点，其中最主要的是以下两个。

（1）速率标准不统一。由于历史的原因，多路复用的速率体系有两个互不兼容的国际标准，一个是北美和日本的T1速率，而另一个是欧洲的E1速率。到了高次群，日本又搞了第三种不兼容的标准。基于光纤的高速率通信应用越来越普遍，如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。

（2）不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。在准同步系统中由于各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。当数据传输的速率较低时，各路信号的时钟频率的微小差异并不会带来严重的不良影响。但是当数据传输的速率不断提高时，时钟同步的问题就成为迫切需要解决的问题。

为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个在光纤传输基础上的数字传输标准，即同步光纤网（Synchronous Optical Network，SONET）。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（通常采用昂贵的铯原子钟，其精度优于1  1011）。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84 Mbit/s为基础 ，大约对应于T3/E3的传输速率，此速率对电信号称为第1级同步传送信号（Synchronous Transport Signal），即STS-1；对光信号则称为第1级光载波（Optical Carrier），即OC-1。现已定义了从51.84 Mbit/s（即OC-1）一直到约40 Gbit/s（即OC-768/STS-768）的标准。

国际电信联盟电信标准化部门（ITU Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），即1988年通过的G.707 ~ G.709 3个建议书。到1992年又增加了十几个建议书，使它不仅能够适用于光纤，也能够适用于微波和卫星传输。一般可认为SDH与SONET是同义词，但其主要不同点是：SDH的基本速率为155.52 Mbit/s，称为第1级同步传递模块（Synchronous Transfer Module），即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。表2-3为SONET和SDH的比较。为方便起见，在谈到SONET/SDH的常用速率时，往往不使用速率的精确数值而是使用表中第二列给出的近似值作为简称。

SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310 nm和1550 nm的激光源。在物理层定义了帧结构。SDH的帧结构是以STM-1为基础的，更高的等级是用N个STM-1复用组成STM-N，如4个STM-1构成STM-4，16个STM-1构成STM-16。 SDH/SONET传输网是一种基于SDH/SONET标准的同步TDM多路复用网络，可以方便地为其他业务网络提供各种所需带宽的电路，并复用底层传输媒体的带宽，其中最典型的传输媒体就是光纤。例如，SDH/SONET传输网可以很方便地为两个因特网主干路由器之间提供一条点对点的高速链路。

SDH/SONET标准的制定使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。各国都同意将这一速率，以及在此基础上的更高的数字传输速率作为国际标准。这是第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。现在SDH/SONET已成为全球公认的数字传输网体制的标准，是为当前因特网提供点对点远程高速链路的重要技术。

2.5.3 光网络

传统的SDH/SONET传输网络由光传输系统和交换结点的电子设备组成。光纤用于两个交换结点之间的点对点的数据传输。在每个交换结点中，光信号都被转换成电信号后再进行交换处理。随着波分复用WDM和光交换技术的发展，人们提出全光网（All Optical Network，AON）的概念，用光网络结点代替原来交换结点的电子设备，组成以端到端光通道为基础的全光传输网，避免因光/电转换所带来的带宽瓶颈，充分发挥光传输系统的容量和光结点的巨大处理能力，而路由器等电信号处理设备在边缘网络连接用户终端设备。网络应用对传输带宽的需求是永无止境的，近年来一些发达国家都在对全光网的关键技术（光复用、光再生、光放大、光交叉连接、光交换、光路由、光存储等）开展研究，追求更高的传输速率，国际上形成了对高速宽带光网络的研究热潮。由于实现计算机网络真正的全光处理非常困难，1998年，ITU-T提出了光传送网（Optical Transport Network，OTN）概念，作为向全光网络进行演进的过渡技术。OTN是以光波分复用技术为基础，直接在光域上对不同波长的信号实现交叉连接和分插复用，以波长级业务为处理单位，支持多种上层业务，如SDH/SONET，ATM，IP，MPLS等。2000年以后，自动交换光网络（Automatic Switched Optical Network，ASON）在光传送网的基础上引入了智能控制的很多方法，可以根据业务需求进行光通路的动态建立和拆除，实现光网络资源的动态按需分配和自动调度与管理。目前，结合ASON的OTN正在成为新一代的数字传输网络。

2.6 互联网接入技术

在第1章中已讲过，用户要连接到因特网，必须先连接到某个ISP。接入技术解决的就是最终用户接入本地ISP“最后一千米”的问题。通常，人们将端系统连接到ISP边缘路由器的物理链路及相关设备的集合称为接入网（access network，AN）。接入网的传输距离虽然不长，但要面对成千上万的住宅、机构、企业和移动用户的各种不同接入需求，涉及的用户数量巨大且接入方式非常复杂，因此接入网在网络投资中所占比重很大，是各大运营商竞相争夺的巨大市场，接入技术也已成为当前网络技术研究、应用与产业发展的热点问题。从实现技术的角度来看，目前的接入技术主要有：电话网拨号接入、数字用户线接入、光纤同轴混合网接入、光纤接入、以太网接入和无线接入。

2.6.1 电话网拨号接入

电话网拨号接入利用早已覆盖千家万户的通信基础设施来提供因特网的接入服务，具有简单易行、成本低的优点，是住宅用户早期接入因特网的主要方式。这种方式通过拨号调制解调器在用户计算机与电话网另一端的ISP接入路由器之间建立一条话音信道，基本原理如图2-19所示。虽然电话网本身早已数字化，但目前大多数住宅用户的电话到本地电话交换中心还使用的是模拟电话用户线，调制解调器必须将计算机输出的数字信号转换为类似音频的模拟信号，使其能在用户线中传输并通过电话网。为提高速率，ISP路由器通常使用数字专线直接接入到电话交换机（不再通过模拟电话用户线），以减少ISP一侧的模/数转换过程。由于电话网将标准话音的带宽限制在4 kHz内，再加上各种噪声因素，利用各种技术拨号调制解调器能达到的最高上网速率不超过56 kbit/s。因此，通过电话网拨号接入因特网虽然非常方便，但上网速率太低，远不能满足人们日益增长的上网需求。另外，对于电话网来说，通过电话网拨号上网就等同于打电话，用户上网需要按时间交付电话费，并且不能同时打电话和上网，难以满足持续接入的需求。虽然现在很少有人使用这种方式上网，但在没有宽带接入的地方，只要在有电话的地方，作为临时的接入手段还是需要的。现在仍然有很多笔记本电脑内置了电话线拨号调制解调器，并且操作系统一般都直接提供拨号连接功能。

2.6.2 数字用户线接入

为了提高用户的上网速率，近年来已经有多种宽带技术开始进入用户的家庭。实际上目前“宽带”尚无统一的定义，主要还是一种商业用语。有人认为只要接入速率超过56 kbit/s就是宽带。美国联邦通信委员会FCC认为只要双向速率之和超过200 kbit/s就是宽带。也有人认为数据率要到达1 Mbit/s以上才能算是宽带。数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）就是电话运营商提供的一种住宅宽带接入业务，是目前中国用户的主要接入方式。

虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300 ~ 3400 Hz的范围内（这是电话局的交换机设置的标准话路频带），但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1 MHz。DSL技术通过对现有模拟电话用户线进行改造，使用频分复用技术把0 ~ 4 kHz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用户上网使用。

实现数字用户线有多种不同的技术方案，如非对称数字用户线（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）、高速数字用户线（High speed DSL，HDSL）、甚高速数字用户线（Very High speed DSL，VDSL）等，因此人们通常是用前缀x来表示不同的数字用户线技术，将数字用户线技术统称为xDSL。其中ADSL是目前住宅用户使用得最多的DSL技术，下面仅对ADSL进行简单介绍。

ADSL的ITU的标准是G.992.1（或称G.dmt，表示它使用DMT技术，见后面的介绍）。由于用户在上网时主要是从因特网下载各种文档，而向因特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”这个名词就是这样得出的。

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）。例如，0.5 mm线径的用户线，传输速率为1.5 ~ 2.0 Mbit/s时可传送5.5 km；但当传输速率提高到6.1 Mbit/s时，传输距离就缩短为3.7 km。如果把用户线的线径减小到0.4 mm，那么在6.1 Mbit/s的传输速率下就只能传送2.7 km。此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。

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许多种。我国目前采用的方案是离散多音调（Discrete Multi-Tone，DMT）调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40 kHz以上一直到1.1 MHz的高端频谱划分为许多的子信道，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。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。可见ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。因此电信局需要定期检查用户线的质量，以保证能够提供向用户承诺的ADSL数据率。图2-20所示为这种DMT技术的频谱分布。

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（DSL Access Multiplexer，DSLAM），用户线和用户家中的一些设施（见图2-21）。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（Access Termination Unit，ATU）。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此将在电话端局（或远端站）和用户家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C和ATU-R，C代表端局（Central Office），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。将电话分离器作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。若按6 Mbit/s计算，则具有1000个端口的DSLAM（这就需要用1000个ATU-C）应有高达6 Gbit/s的转发能力。因ATU-C要使用数字信号处理技术，因此DSLAM的价格较高。

ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线。到2006年3月为止，全世界的ADSL用户已超过1.5亿户。现在ADSL调制解调器已经可以做得很轻巧（见图2-22）。需要注意的是，ADSL调制解调器有两个插口。较大的一个是RJ-45插口，用来和PC相连。较小的是RJ-11插口，用来和电话分离器相连。电话分离器很小巧（见图2-23），用户只需要用3个带有RJ-11插头的连线就可以连接好，使用起来非常方便。

最后我们要指出，ADSL借助于在用户线两端安装的ADSL调制解调器（即ATU-R和ATU-C）对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输，用户线本身并没有发生变化。但给用户的感觉是：加上ADSL调制解调器的用户线好像能够直接把用户PC产生的数字信号传送到远方的ISP。正因为这样，原来的用户线加上两端的调制解调器就变成了可以传送数字信号的数字用户线DSL。要注意的是，DSL技术和电话网拨号接入技术虽然都是使用现有的电话用户线接入因特网，但通过拨号建立的链路要通过电话网和电话交换机，而DSL链路仅利用从用户到电话局之间的这段电话用户线，并不通过电话网和电话交换机。因此DSL链路的带宽不受话音带宽的限制，仅与线路质量、干扰和距离等因素有关。

ADSL技术也在发展。现在ITU-T已颁布了更高速率的ADSL标准。例如，ADSL2（G.992.3和G.992.4）和ADSL2 （G.992.5），它们都属于第二代ADSL，目前已开始被许多ISP采用和投入运营。

2.6.3 光纤同轴混合网接入

光纤同轴混合网（HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写）是在目前覆盖面很广的有线电视网（Community Antenna Television，CATV）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CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但后来CATV网进行了改造，变成了现在的HFC网。这种光纤同轴混合网的主要特点如下。

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤（见图2-24）。光纤从头端连接到光纤结点（fiber node），它又称为光分配结点（Optical Distribution Node，ODN）。在光纤结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。连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。

HFC网还要在头端增加一些智能，以便实现计费管理和安全管理，以及用选择性的寻址方法进行点对点的路由选择。此外，头端还要具有接入到因特网的功能。

光纤结点与头端的典型距离为25 km，而从光纤结点到其用户的距离则不超过3 km。

原来的CATV网的最高传输频率是450 MHz，并且仅用于电视信号的下行传输。但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，目前我国的HFC网的频谱划分如图2-25所示。

从图2-25可以看出，HFC网的上行传输（从用户家庭到头端）使用了原来CATV并不使用的低端频段，带宽为60 MHz。上行信道还可进一步划分为几个子频段，分别用于电话通信、数据通信，以及对整个HFC网的监视。HFC网的下行传输（从头端到用户家庭）使用87 ~ 1000 MHz的频段，传送调频广播、原有的模拟电视、现在的数字电视，以及各种数字信号（如用户从万维网下载的多媒体信息或视频点播VoD信号）的传输。

为了使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，目前都广泛使用叫作机顶盒（set-top box）的设备，连接在同轴电缆和用户的电视机之间。但为了使用户能够利用HFC网接入到因特网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器，它又称为电缆调制解调器（Cable Modem，CM）。电缆调制解调器可以作成一个单独的设备（类似于ADSL的调制解调器），也可以作成内置式的，安装在电视机的机顶盒里面。用户只要把自己的PC连接到电缆调制解调器，就可方便地上网了。

美国的有线电视实验室CableLabs制定的电缆调制解调器规约（Data Over Cable Service Interface Specifications，DOCSIS）的第一个版本DOCSIS 1.0，已在1998年3月被ITU-T批准为国际标准。后来又有了2001年的DOCSIS 2.0和2006年的DOCSIS 3.0等新的标准。

电缆调制解调器只安装在用户端，安装在HFC网头端的电缆调制解调器端接系统（Cable Modem Termination System，CMTS）与因特网连接。电缆调制解调器比ADSL使用的调制解调器复杂得多，因为它必须解决共享信道中可能出现的冲突问题。在使用ADSL调制解调器时，用户PC所连接的电话用户线是该用户专用的，因此在用户线上所能达到的最高数据率是确定的，与其他ADSL用户是否在上网无关。但在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。有线电视运营商往往宣传通过电缆调制解调器上网可以达到比ADSL更高的数据率（如达到10 Mbit/s甚至30 Mbit/s），但这只有在很少几个用户上网时才可能会是这样的。然而，若出现大量用户（如几百个）同时上网，那么每个用户实际的上网速率可能会低到让人难以忍受的程度。

2.6.4 光纤接入

由于因特网上已经有了大量的视频信息资源，因此近年来宽带上网的普及率增长得很快。但是为了更快地下载视频文件，以及更加流畅地欣赏网上的各种高清视频节目，最理想的住宅接入方式当然是直接通过光纤接入，即光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。光纤巨大的带宽不仅可以为用户提供高速的互联网业务，还能提供电话、可视电话、有线电视、视频点播、视频监控等多种业务。

为了降低成本，可以采用多种变通的光纤宽带接入方式，称为FTTx（即光纤到……）。这里字母x可代表不同的意思。实际上就是把光电转换的地方，从用户家中（这时x就是H），向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。

其实，现在陆地上长距离的信号传输，基本上都已经实现了光纤化。在前面所介绍的ADSL和HFC宽带接入方式中，用于远距离的传输媒体也都是光缆。只是到了临近用户家庭的地方，才转为铜线（电话的用户线和同轴电缆）。FTTx接入方式也是这样。光信号从局端的光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）传输到最后，要设置一个叫作用户端的光网络单元（Optical Network Unit，ONU），也可简称为光结点，用来把光信号转换为电信号。FTTx中的x就表示这种光网络单元ONU的位置安放在什么地方。

根据ONU的位置的不同，现在已有很多种不同的FTTx。例如：光纤到路边FTTC（C表示Curb），光纤到小区FTTZ（Z表示Zone），光纤到大楼FTTB（B表示Building），光纤到楼层FTTF（F表示Floor），光纤到办公室FTTO（O表示Office），光纤到桌面FTTD（D表示Desk）等，如图2-26所示。由于光纤的带宽非常高，可以使用同一条光纤上网、打电话和收看有线电视。从ONU到用户的个人计算机一般使用以太网连接，使用5类线作为传输媒体。ONU离用户越近，成本越高，但用户所获得的带宽也越高。因此，究竟选择何种接入方式，应当视具体情况而定。

FTTH是20年来人们不断追求的梦想，但由于成本、技术、需求等多方面的障碍，FTTH过去一直没有得到大规模的应用。然而，近几年，由于用户需求的增长、政策上的扶持和技术本身的发展，在沉寂多年后，FTTH再次成为热点，步入快速发展阶段。目前我国很多新建居民住宅都已开始光纤到户，并且在2012年12月中国住建部就已批准《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程设计规定》，标志着中国的FTTH已进入真正的实施阶段。

2.6.5 以太网接入

各种政府机构、大型企业和大学校园的用户通常通过内部的局域网接入到因特网。这些单位的路由器往往通过租用电信运行商的公共传输网络连接到因特网核心路由器。实际上这些单位相当于ISP，并为其用户提供接入服务。有线局域网目前基本上就是以太网，我们将在下一章详细讨论局域网技术。

由于以太网低成本、高性能和使用方便，一些接入网运营商将其用于住宅接入网领域。但由于接入网是一个公用的网络环境，与局域网的私有网络环境有很大不同，需要解决远端馈电、接入端口的控制、用户间的隔离、计费等功能，因此在原有以太网技术的基础上（采用原有以太网的帧结构和接口）增加了很多新的内容，并形成了自己的标准。

2.6.6 无线接入

以上我们介绍的几种接入方法都是属于有线接入。但在生活和工作节奏都加快了的今天，人们希望随时随地都能访问因特网。虽然用户可以携带笔记本电脑到处移动，但用户并不能在所有地方都有条件通过有线接入的手段接入到因特网。现在由于移动无线通信技术的迅速发展，使得用户利用无线接入的手段随时上网成为了可能。

目前可以有很多种设备进行无线接入，大到台式计算机，小到手机。而无线接入技术目前最常用的有两种。一种是通过蜂窝移动通信系统接入到因特网。另一种方法就是通过无线局域网接入到因特网。下面我们简单介绍一下通过蜂窝移动通信系统接入到因特网的特点，而后者将在下一章中介绍。

我们知道，蜂窝移动通信经历了多次的更新换代。最初的第一代（1G）蜂窝移动通信只能够提供模拟话音通信 ，但现已被淘汰了。后来发展到第二代（2G），其特点是以数字话音通信为主，但也能提供短信、收发邮件和浏览网页的数据通信功能（速率不高）。常用的2G蜂窝移动通信标准有两种，一种是GSM，另一种是使用码分多址CDMA（严格些是IS-95 CDMA）。第三代（3G）蜂窝移动通信与前两代的主要区别不仅在传输话音和数据的速度上提高了，而且还能够处理图像、视频流等多种媒体形式，并提供电话会议、电子商务等多种信息服务。目前有3个主流3G无线接口标准：欧洲的WCDMA（W表示宽带Wideband）、美国的CDMA2000和我国提出的时分同步码分多址TDS-CDMA。在3G广泛应用之前，还出现了过渡的2.5G。简单地说，2.5G与2G相比就是增加了能够提供数据传输服务的几种标准，例如，GPRS（General Packet Radio Service）, EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）等。当前3G通信技术正处在全面推广应用时期，但同时第四代移动通信（4G）已在研发并小范围使用了。

据统计，截至2011年6月底，我国通过手机上网的网民人数已达3.18亿，增长的速度很快。

虽然手机上网最大的优点是移动性好，但手机的屏幕和键盘都较小，使用起来显然不如笔记本电脑方便。为了使一般计算机也能够利用3G蜂窝无线通信技术连接到因特网，3G上网卡就应运而生了。3G上网卡就像一个U盘那样，使用USB接口。只要把3G上网卡插入到笔记本电脑或台式计算机中的USB接口，就可以通过3G蜂窝无线通信系统接入到因特网。图2-27所示的是一种3G上网卡，可以看出，这里面插入的就是一张USIM卡，大小和手机使用的SIM卡一样大。我们知道，用户身份模块（Subscriber Identity Module，SIM）卡是插入到手机中使用的，而USIM卡是插入到3G上网卡中为计算机上网用的。USIM的U表示Universal（可译为“通用”）。

3G上网卡的问世给移动用户带来了许多方便。只要处在3G手机信号的覆盖区域中，插入3G上网卡的计算机就能够接入到因特网。3G宽带上网和ADSL上网有一个很大的区别。在使用ADSL上网时，用户付出的月租费越高，他所能够享用的接入带宽和数据率也越高，这是能够得到保证的，因为用户使用的电话用户线是用户独占的。但3G上网目前没有按带宽付费的业务，这是因为用户在进行3G上网时，是和在一个或数个蜂窝小区内的用户共享网络运营商接入到因特网的带宽，因此某个用户实际上能够分配到多大的带宽是不确定的。现在3G上网用户一般可以有两种选择：或者按流量付费（这比较贵），或者按上网时间付费（这可能会因同时上网的人太多导致每个用户分配到的速率非常低）。目前不同运营商已经推出了多种3G上网卡供各种用户选用。

本章的重要概念

• 物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，或信宿）。
• 通信的目的是传送消息。话音、文字、图像等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现。
• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号（或连续信号）和数字信号（或离散信号）。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
• 从通信双方信息交互的方式可以划分为单向通信（或单工通信）、双向交替通信（或半双工通信）和双向同时通信（或全双工通信）。
• 通常人们将数字数据转换成数字信号的过程称为编码，而将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制。
• 来自信源的信号叫作基带信号。在数字信道上直接传输基带信号的方法称为基带传输。在很多情况下，需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。
• 最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。
• 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能被任意地提高。
• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤等）和非导引型传输媒体（无线电、红外或大气激光等）。
• 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）。
• 最初在数字传输系统中使用的传输标准是PCM复用速率体制。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网（SONET，美国标准）或同步数字系列（SDH，国际标准）。
• 用户到因特网的宽带接入方法主要有：非对称数字用户线ADSL（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）；光纤同轴混合网HFC（在有线电视网的基础上开发的）；FTTx（即光纤到……）；以及无线宽带上网。