数据通信基础

数据通信基础知识

1、通信系统的作用是将信息从信源发送到一或多个信宿，其一般模型如下：
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信源：将各种信息转化成原始电信号；
发送设备：生成适合在信道中传输的信号
信道：将信号传送到信宿的物理传输媒体
接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号
信宿：传送信息的目的地，将电信号还原

注意：
可以用交换技术降低网络成本，如下图，终端i复合了发送方(信源)和接收方(信宿)的功能：
在这里插入图片描述
2、网络传输中的两个重要公式
在此之前，我们需要解释一些术语：
（1）波特率：也称信息传送速率、码元速率、符号速率、或传码率，其定义为每秒钟传送码元的数目，码元速率的单位为“波特”，常用符号“Baud”表示，简写为“B”。
（2）比特率：也称数据传输速率，其定义是单位时间内可以传输的比特数，单位为bps。
比特率的计算公式为：比特率=波特率*每符号含的比特数。
（3）信道带宽：最高的信号频率和最低的信号频率的差值就叫做这个信道的带宽，单位是Hz。
（4）信道容量：指的是数据在信道中最高传输速度，即最高的比特率，单位是bps。
（5）信噪比：信号和噪声的功率比就叫做信噪比，用S/N表示，单位没有量纲。

奈奎斯特(Nyquist)公式

公式注解：M为信号状态数量，W为信道带宽

任何实际的信道所能传输的最大数据传输速率受到奈奎斯特(Nyquist)公式限制。奈氏准则指出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：理想低通信道下的最高码元传输速率＝2W Baud 。

注意：根据奈奎斯特公式我们可以得到以下两点：
(1)一旦给定信道的带宽，则该信道的极限波特率就确定了，不可能超过这个极限波特率传输码元；
(2)增加信道的比特率有两条途径：
①增加该信道的带宽
②选择更高的编码方式

香农 (Shannon) 公式
信道的极限信息传输速率C可表达为：C = W log2(1 + S/N) bps
公式注解：W为信道带宽(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

注意：根据香农公式可以得到以下推论：
(1)提高信道的信噪比或增加信道的带宽都可以增加信道容量
(2)当信道中噪声功率N无穷趋于0（无干扰信道）时，信道容量C无穷趋于无限大
(3)信道容量C一定时，减小带宽，同时提高信噪比，可以维持原来信道容量。
(4)信噪比一定时，增加带宽W可以增大信道容量。但噪声为高斯白噪声时，增加带宽的同时会造成信噪比下降，因此无限增大带宽也只能对应有限信道容量。

3、通信方式（按照消息传送的方向与时间关系分为三种）
（1）单工通信：指报文只能单方向传输的工作方式。
（2）半双工通信：指报文可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行。
（3）全双工通信：指在通信的任意时刻，允许报文同时在两个方向上传输。

信道的复用

1、频分复用（FDM）

定义：即将用于传输信道的总带宽划分成若干个子信道，每一个子信道传输一路信号。
特点：所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，

注意：频分复用中需要特别注意的一种技术是正交频分复用（OFDM），是一种多载波数字调制技术。OFDM全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。

2、时分复用（TDM）

定义：即将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时隙，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。
特点：时隙事先规划分配好且固定不变，其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时

3、波分复用：

定义：通信是由光来运载信号进行传输的方式。（本质上就是频分复用）
分类：
（1）1 310 nm和1 550 nm波长的波分复用
（2）粗波分复用（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）
（3）密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）

4、码分复用（CDM）

这里我们需要解释一些基本术语：
（1）编码信号 = (原始数据) X (码片速率序列 )
（2）解码: 编码的信号和码片速率序列的内积

定义：靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。
CDMA（Code Division Multiple Access）就是码分复用的一种方式，称为码分多址。其特点如下：
（1）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。
①两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。

（2）在实用的系统中是使用伪随机码序列。

交换技术

1、电路交换：

主要应用于电话通信网中
交换过程：具有“连接建立-数据传输-连接释放”三个步骤，以分时的方式共享通信资源
优点：
（1）独占资源，通信质量有保证
（2）传输时延小，通信中无拥塞
缺点：
（1）建连时间较长，工作过程复杂
（2）电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低
（3）难以在通信过程中进行差错控制

2、报文交换

报文交换是一种以报文为数据传送单位，采用存储转发的信息传递方式。电子邮件系统（E-mail）适合采用报文交换方式。
优点：
（1）无连接，报文发给相邻结点，报文存储后再选择合适出口向后转发，直至目的结点
（2）以“存储转发”为特征
缺点：
（1）对报文长度不加限制，中间结点存储空间很大
（2）长时间占用某段线路，导致报文在中间结点时延非常大
（3）报文交换只适用于数字信号

3、分组交换

分组交换也称为包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息（携带源、目的地址和编号信息）作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。分组的首部就是发送的地址，当交换机收到分组后，将根据首部的地址信息将分组转发到目的地方。其本质就是存储转发。
优点：
（1）加速了数据在网络中的传输
（2）简化了存储管理
（3）减少了出错率和数据重发量
缺点
（1）存在转发延时
（2）传送信息量增加
（3）当数据传送到终点时，容易存在数据失序问题，且无法检测出