三、物理层（TODO，待补充）

物理层是所有网络的基础。它定义了通过信道以信号方式传输比特的电气、时序和其他接口。不同类型物理信道的属性决定了其性能（例如吞吐量、延迟和错误率）。自然界对所有信道施加了两个基本限制，它们决定了信道的带宽。这些限制是针对无噪声信道的奈奎斯特限制和针对有噪声信道的香农限制。传输介质可以是导向的或非导向的。主要的导向介质包括双绞线、同轴电缆和光纤。非导向介质包括地面无线电、微波、红外线、空气中的激光和卫星。数字调制方法将比特作为模拟信号发送至导向和非导向介质。基带传输使用线路编码，通过调制载波的幅度、频率和相位将信号放置在通带中。信道可以通过时分、多频分和码分复用在用户之间共享。

对于移动设备应用，固定电话系统并不适用。移动电话目前广泛用于语音和数据传输，自 4G 起，所有语音实际上都是通过分组交换网络传输的。第一代（1G）是模拟的，以 AMPS 为主。第二代（2G）是数字化的，目前 GSM 是世界上最广泛部署的移动电话系统。第三代（3G）是基于宽带码分多址（CDMA）的数字系统。第四代（4G）的主要创新是转向了分组交换核心网络。第五代（5G）则以更小的蜂窝、海量 MIMO 和更多频谱的使用为特点。

物理层的许多方面最终不仅由技术本身决定，还受到政策机构（如标准组织和监管机构）的影响。物理层中一个较为动态的政策领域是无线频谱，其大部分受到严格监管。随着对数据通信带宽需求的增长，监管机构正积极探索更高效地使用现有频谱的方法，例如重新分配和拍卖已分配频谱的一部分。

本讲导览

• 导向传输介质

• 无线传输

• 从模拟信号到比特

  • 信道固有限制
    • 奈奎斯特定理
    • 香农定理
  • 数字调制
  • 多路复用

1. 导向传输介质

物理层的目的是将比特从一台设备传输到另一台设备。实际传输可以通过多种物理介质完成。依赖物理电缆或导线进行传输的介质通常被称为导向传输介质，因为信号传输是沿着一条具有物理电缆或导线的路径引导的。最常见的导向传输介质是铜缆（包括同轴电缆和双绞线）和光纤。带宽是衡量介质承载能力的指标，以赫兹（Hz，或 MHz、GHz）为单位，以纪念德国物理学家海因里希·赫兹。

1.2 双绞线

双绞线是历史最悠久且最常用的传输介质之一。双绞线由两根约 1 毫米厚的绝缘铜线组成。两根平行的导线组成一个良好的天线，但通过扭曲，来自不同扭曲点的波互相抵消，从而减少电缆的辐射。信号通常是通过两根导线间的电压差来传输的，与绝对电压相比，电压差提供了更好的抗噪性，因为噪声通常对两根导线的电压影响相同，从而使差分信号保持不变。

双绞线可以在不放大信号的情况下传输数公里，但超过一定距离后信号会被削弱，需要中继器来增强信号。当许多双绞线并行传输时，通常会被捆绑在一起并用保护套包裹，如果没有扭曲，线缆会相互干扰。

双绞线可用于传输模拟或数字信号，带宽取决于线的厚度和传输距离。在数公里内可实现数百 Mbps。不同的局域网标准可能以不同方式使用双绞线，例如，100Mbps 的以太网使用其中两对双绞线，一对用于每个方向。而 1Gbps 以太网则双向使用四对双绞线，因此接收器需要消除发送信号。可以同时用于双向通信的链路称为全双工链路，而只能在单方向上使用的链路称为半双工链路

Cat 5e 替代了较早的 Cat 3 电缆，前者者使用更多的每米扭曲数以减少串扰并改善信号质量，适用于高速计算机通信，特别是 100Mbps 和 1Gbps 的以太网局域网。

Category 6 及以上的某些电缆可支持 10Gbps 的链路，适用于许多新建网络，如新办公楼。通过 Category 6，这些布线类型称为 UTP（无屏蔽双绞线），仅由导线和绝缘层组成。Category 7 电缆则在每对双绞线及整个电缆外加屏蔽层（在塑料保护套内）。屏蔽层减少了对外部干扰和相邻电缆串扰的敏感性，以满足高性能要求。

1.3 同轴电缆

另一种常见的传输介质是同轴电缆。与无屏蔽双绞线相比，它具有更好的屏蔽性能和更高的带宽，因此能够以更高的速度覆盖更长的距离。同轴电缆主要有两种类型。一种是 50 欧姆的电缆，通常用于从一开始就打算用于数字传输的场合。另一种是 75 欧姆的电缆，常用于模拟传输和有线电视。

同轴电缆由一根硬铜线作为核心，核心被绝缘材料包围。绝缘材料外面包裹着一个圆柱形的导体，通常是紧密编织的网状屏蔽层。外部导体再包裹一层保护性塑料外套。图 2-2 显示了同轴电缆的剖面图。

同轴电缆的结构和屏蔽性能使其在高带宽和出色的抗噪性（如防止车库门开关、微波炉等产生的干扰）方面具有良好的平衡。带宽的大小取决于电缆的质量和长度。同轴电缆带宽非常宽，现代同轴电缆带宽可高达 6GHz，这样可以在一根同轴电缆上同时传输多路对话（例如，单个电视节目可能占用约 3.5MHz 的带宽）。同轴电缆曾广泛用于电话系统中的长途线路，但如今在长途传输线路上已大多被光纤取代。

1.4 光纤

在计算机行业，不少人对计算机技术以惊人的速度提升而感到无比自豪，这一趋势遵循摩尔定律，即芯片上晶体管的数量大约每两年翻一番。最早的 IBM PC 时钟频率为 4.77Mhz，四十年后，PC 可以运行四核 CPU，频率达到 3 GHz。这一增长约为 2500 倍，确实令人印象深刻。在同一时期，广域通信链路的速度从 45 Mbps（电话系统中的 T3 线路）增长至 100 Gbps（现代长途线路），这一增长同样引人注目，超过 2000 倍，而同时，误码率从每比特 10^-5 减少到几乎为零。。相比之下，光纤技术的可实现带宽超过 50,000 Gbps（50 Tbps）。目前约 100 Gbps 的实际限制仅仅是由于我们无法更快地在电信号和光信号之间进行转换。为了构建更高容量的链路，通常是在单根光纤上并行传输多个信道。

我们将学习光纤，了解这种传输技术的工作原理。在计算（引以为豪的摩尔定律）与通信的持续竞争中，通信或许能胜出，因为有光纤网络的存在。这意味着带宽的增长几乎是无限的，从而产生一种新的共识，即计算机的速度远不及网络，因此网络应尽量避免计算，即使会浪费带宽。

当然，这一情景并不完全反映实际情况，因为它没有考虑到成本。要在“最后一公里”部署光纤以满足消费者需求，绕过铜线的低带宽和有限的频谱，成本十分高昂。此外，传输比特所消耗的能源通常比计算要多。

由于衰减较低，在长距离线路上，光纤只需每隔大约 50 公里布设一个中继器，而铜线大约每隔 5 公里就需要一个中继器。奇怪的是，电信公司喜欢光纤的原因完全不同：它既纤细又轻便。许多现有的电缆管道已完全被占满，没有空间增加新的容量。将所有铜线移除并替换为光纤后，管道就会腾空，而且铜线对铜精炼厂来说是非常高质量的矿石，具有极高的转售价值。此外，光纤比铜线轻得多。1000 对长度为 1 公里的铜线重达 8000 公斤，而两根光纤的容量更大，重量却仅为 100 公斤，这减少了对昂贵机械支撑系统的需求，并降低了维护成本。对于新线路来说，光纤因其较低的安装成本而完胜。

最后，光纤不会泄漏光信号且难以被窃听，这使得光纤在防窃听方面具有良好的安全性。缺点是，光纤是一项不那么普及的技术，要求的技能并非所有工程师都具备，而且光纤容易因过度弯曲而受损。由于光传输本质上是单向的，因此双向通信需要使用两根光纤，或在一根光纤上使用两个频段。最后，光纤接口的成本比电接口高。然而，所有固定的长距离数据通信的未来显然属于光纤。

2. 无线传输

4. 从模拟信号到比特