Data Communication Final

数据通信: 期末复习

第二章：网络体系结构

• 通信模型
  • 源系统（源点，发送器），传输系统，目的系统（接收器，终点)
• 传输方式
  • 单工：一个信道，只能单向
  • 半双工：一个信道，同一时间只能上/下行，有选择器
  • 全双工：两个信道，同时上下行
• 数字通信与模拟通信
  • 数字系统：数字-数字编码，模拟-数字编码
  • 模拟系统：模拟信号以固有频率基带传输（不编码），频谱搬移后传输（模拟-模拟编码）
  • 混成系统：同一系统既包含模拟也包含数字
• 网络体系结构：TCP/IP
  • 应用层，传输层，网际层，数据链路层，物理层
• 套接字及其类型
  • 流套接字：TCP：可靠，按时
  • 数据包套接字：UDP：快速乱序无保证
  • 原始套接字：IP：直接访问底层

第三章：数据传输

• 概念与术语
  • 导向媒体：电磁波沿某一物理路径前进（光纤，双绞线，同轴电缆
    • 点对点：直连链路
    • 多点：共享
  • 非导向媒体：无线传输，不引导传输方向（空气，真空，海水
• 数据与信号
  • 数据：信源产生，可能为模拟或数字
  • 信号：经过调制，电磁信号居多
• 周期信号的傅里叶级数表示
  • 傅里叶表示：
    $$x(t)=\frac{A_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}(A_n\cos(2\pi nf_0t)+B_n\sin(2\pi nf_0t))$$
    $$A_n = \frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\cos(2\pi nf_0t)dt$$
    $$B_n = \frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\sin(2\pi nf_0t)dt$$
  • 方波的傅里叶表示
    $$f(x)=\frac{4}{\pi}\sum_{n=2k-1}^\infty \frac{1}{n}\sin(\frac{n\pi x}{L})$$
• 信号功率计算
  • 任意时段功率：
    $$P_x=\frac{1}{t_2-t_1}\int_{t_1}^{t_2}|x(t)|^2dt$$
  • 周期平均功率
    $$P=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}|x(t)|^2dt$$
• 信号的频谱与带宽
  • 频谱：信号的频率范围
  • 绝对带宽：频谱宽度，最大减最小
  • 有效带宽：包含绝大多数能量的带宽，某频率区间的功率积分是总功率的一半（-3dB）
  • 直流分量：频率为0的部分
• 方波数据率与带宽的关系
  • $R_b=2f$，$R_b$数据率，$f$方波频率
• 模拟/数字数据与模拟/数字传输
  • 模拟信号：放大器
  • 数字信号：转发器
• 数字信号传输的优势
  • 大规模集成电路
  • 数据完整性
  • 容量利用率
  • 安全和保密
  • 综合性、存储
• 传输损伤
  • 衰减：放大器与转发器解决
    • 要求: 接收到的信号足够强, 信号电平高于噪声电平
  • 失真
    • 衰减失真：高频失真多，衰减均衡和高频高倍放大解决
    • 时延失真：中心频率附近传输快，仅限数字信号，码间串扰
  • 噪声
    • 信噪比：$SNR_{db}=\lg{\frac{S}{N}}$
    • 热噪声：$N_0=kT$，$k$玻尔兹曼常量，$T$热力学温度, 每赫兹噪声, 计算时$N=BN_0$
    • 互调噪声、串扰（双绞线扭绞）、冲激噪声
• 信道容量：最大数据传输速率
  • 数据率bps，带宽Hz，噪声，误码率
  • 奈奎斯特带宽：信道无噪声时：$C=2B\log_2{M}$，$M$指信号的电平数
  • 香农容量公式：只有热噪声时：$C=B\log_2(1+SNR)$，$SNR=10^{0.1SNR_{db}}$为信噪比

第四章：传输媒体

• 光纤
  • 优势：容量大，体积小，衰减小，电磁隔离，转发器间隔远
  • 折射率分类：
    • 阶跃型：折射率阶跃，会有失真
    • 渐变型：光路周期性汇聚
  • 模式分类
    • 单模、多模
• 无线传播：高频天线小
  • 地波：-2MHz
  • 天波：2MHz-30MHz
  • 视距传播：30MHz-
• 视距传播损伤
  • 自由空间损耗模型
    $$L=10\lg(\frac{4\pi d}{\lambda})^2dB$$

第五章：信号编码技术

• 编码与调制技术
  • 数字信号传输：数字或模拟数据->(编码器)->数字信号->(解码器)->原数据
  • 模拟信号传输：数字或模拟基带信号<->(调制解调器)<->模拟信号
• 数字信号编码格式
  • NRZ-L：高电平0，低电平1
  • NRZI：区间起始无变化0，区间起始有变化1
  • 双极性AMI：零电平0，正电平负电平1交替出现
  • 伪三进制：正电平负电平0交替出现，零点平1
  • 曼彻斯特：区间正中高到低0，低到高1
  • 差分曼彻斯特：区间正中总是变化，区间起始变化0，区间起始不变1
• 扰码
  • 扰码产生替代连续电压的序列
  • 填充序列：提供足够的信息用于同步，可被识别替换还原，长度相同
  • 目标：不含直流，定时信息丰富，不降低数据率，可检错，易于判断还原
• HDB3：会给出编码方式

	自上一次替换后双极性	脉冲（比特1）数
前面脉冲的极性	奇数	偶数
-	000-	+00+
+	000+	-00-

• 调制技术：开关键控载波
  • 振幅ASK：01由振幅表示
    • 相干解调：乘上同周期的信号，低通滤波
  • 频移FSK：不同频率表示01
    • 应用：话音，高频无线电（天波，同轴电缆局域网
  • 相移PSK：不同相位表示信息
    • 二进制相移键控：$0,\pi$
    • QPSK：四个相位，$\pm\frac{\pi}{4},\pm\frac{3\pi}{4}$
  • 正交调幅QAM：两个载波正交（差90相位，分别ASK，两个独立信号
  • 补点公式：
    • ASK，PSK
      $$B_T=(1+r)R$$
    • FSK
      $$B_T=2\Delta f+(1+r)R$$
    • MPSK
      $$B_T=\frac{1+r}{\log_2M}R$$
    • MFSK
      $$B_T=\frac{(1+r)M}{\log_2M}R$$
• 模拟数据数字化
  • 脉码调制PCM
    • 定时采样，每次采样有几个bit进行量化
    • 压扩函数：非线性编码，振幅低的地方密集
  • 增量调制DM
    • 近似信号的导数，有过载噪声
• 模拟调制系统
  • 模拟数据加载到载波，利于传输，允许频分复用，扩展带宽，抗干扰
  • 调幅AM
    • 数据与载波相加
      $$s_{AM}=[A_0+m(t)]\cos\omega_ct$$
      归一化，小于1时可以包络解调，否则只能正交解调
      $$s(t)=[1+n_ax(t)]\cos2\pi f_ct, n_a<1$$
  • 调频FM
    $$s(t)=A_c\cos[2\pi f_c+\varphi(t)],\varphi’(t)=n_fm(t)$$
  • 调相PM
    $$s(t)=A_c\cos[2\pi f_c+\varphi(t)],\varphi(t)=n_pm(t)$$
    与FM转化：频率可定义为相位变化率，因此将PM后面的积分即可得到FM

第六章：差错检测与矫正

• 奇偶校验
  • 偶校验：末尾加校验比特，整个字符中的1的个数为偶数
• 因特网校验和
  • 两个数字视为无符号二进制整数，相加，高位进位就在最低位加1
• 循环冗余检验CRC
  • k位信息，生成n-k位比特，作为检验序列（会给出公式，公式最高位$X^{n-k}$
• 块码原理
  • 2k+1的距离，最多检2k=$d_{min}-1$，最多纠k=$\lfloor\frac{d_{min}-1}{2}\rfloor$
  • 冗余度：(n-k)/k，码字共n位，k个信息位
  • 编码率：k/n

第七章: 数据链路控制协议

帧传输模型

性能指标

名称	描述	详述
传输时延	数据量 ÷ 数据率	emit all bits into medium
传播时延	介质一段到另一端	a bit to traverse the link
处理时延	单节点时延 × 途径节点数	the recipient or intermediate node processing
排队时延	Σ此前耗时	waiting time at the queue

流量控制

停止等待流量控制

• 流程

  1. 源点发送帧
  2. 终点收到帧, 回复ACK
  3. 原点收到ACK, 发送下一帧
  4. 终点不发ACK终止流

• 数据切分成小数据块传输

  1. 接收方缓存有限
  2. 便于错误重传
  3. 避免一个站点长时间占用传输媒体

• 计算题

  • 链路比特长度
    数据率$R/bps$, 距离$d/m$, 传播速度$v/ms^{-1}$
    $$B=R\times\frac{d}{v}$$
  • 传播时延(归一化值)
    链路比特长度$B/b$, 帧长度$L/b$
    $$a=\frac{t_{prop}}{t_{frame}}=\frac{d/v}{L/R}=\frac{B}{L}$$
  • 链路利用率
    传播时延(归一化值)$a$
    $$U=\frac{t_{frame}}{t_{all}}=\frac{t_{frame}}{2t_{prop}+t_{frame}}=\frac{1}{1+2a}$$

滑动窗口流量控制

• 流程
  接收端缓存大小 W
  发送端在没有收到ACK前可以发送W个帧
  每个帧通过序号来标识, 序号大小受字段长度限制(k bits)帧以 2 k 为模编号($0\to 2^{k}-1$)
  ACK(RRx)包含下一个期望收到的帧编号x

• 优化

  1. 接收端可发送RNR, 切断对方的帧流
  2. 之后, 接收端必须通过一个正常的确认帧来重启
  3. 双向链路捎带: 没数据有确认就单发ACK, 有数据有确认就捎带, 有数据没确认就发重复的确认

• 计算题

  • 链路利用率
    窗口宽度$W$, 传播时延(归一化值)$a$
    $$U=\begin{cases} 1 & W \geq 2a + 1\\ \frac{W}{2a + 1} & W < 2a + 1 \end{cases}$$

差错控制

• 自动请求重传ARQ
  差错检测 肯定确认 超时重传 否定重传

停止等待ARQ Stop and Wait

• 基于停止等待流量控制
• 保持一个发送帧的拷贝, 在终点确认返回前, 源点不发送其他帧
• 帧损伤
  • 接收端检测到差错, 丢弃该帧？
  • 发送端超时重传
• ACK 损伤
  • 发送端超时重传
  • 接收端收到用两份相同编号的帧

Go-Back-N ARQ

• 基于滑动窗口流控机制, 没有收到确认的帧的最大数目取决于窗口大小
• 无错误: ACKx表示准备接收x号帧
• 有错误: REJx表示x号帧错误, 重传x及其后的所有帧
• ACK(RR) 损伤: 下一个ACK可能在超时前到来, 那么无影响; 否则发送”ACK with P bit set”重置
• REJ 损伤: 接收端将其作为丢失帧, 计算超时

选择拒绝ARQ Selective Reject

• 仅重传拒绝帧或超时帧, 后续帧被接收端接收并缓存起来

对比

ARQ	最大窗口大小(n bit 序号)	发送端缓存大小	接收端缓存大小
Stop-Wait	无窗口, 无序号	无	无
Go-Back-N	$2^n-1$	窗口大小	无
Sel-Rej	$2^{n-1}$	窗口大小	窗口大小

HDLC

• 站点类型
  • 主站: 负责链路控制操 命令
  • 从站: 在主站的控制下操作 响应
  • 混合站: 结合了主站和从站的特点
• 链路设置
  • 非平衡设置 1 个主站, 多个从站
  • 平衡设置 2 个混合站组成
• 数据传送方式

数据传送方式	链路设置	传输发起
正常相应方式NRM	非平衡设置	主站发起, 从站收到主站命令才能传输
异步平衡方式ABM	平衡设置	混合站均可发起, 应用最广泛

• 帧结构
  同步传输, 以帧的形式进行, 一个帧格式满足控制和交换

Flag	Address	Control	Information	FCS	Flag
8 bit	8 bit extendable	8 or 16 bit	variable	16 or 32 bit	8 bit

第八章: 复用

FDM 频分复用

• 概念: 多个信号调制到不同的载波频率上, 且有足够间隙防止其带宽重叠, 以同时运载
• 信道: 每个信号占有的频率范围
• 防护频带: 载波频率中, 信道之间未被占用的部分
• 流程
  载波$m_i(t)$ —>调制器$f_i$ 副载波$s_i(t)$ —>叠加$\sum$ 基带$m_b(t)$ —>发送器$f_c$ FDM信号$s(t)$
  FDM信号$s(t)$ —>接收器 复合基带$m_b(t)$ —>滤波器$f_i$ 副载波$s_i(t)$ —>解调器$f_i$ 载波$m_i(t)$
• WDM 波分复用

复用类型	关键设备	复用原理	介质
FDM 频分复用	调制解调器	载波频率
WDM 波分复用	棱镜	光波长	光纤

Synchronous TDM 同步时分复用

• 概念
  • 可以用于数字信号或模拟信号传输数字数据
  • 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(较快的设备), 在扫描时分配
  • 间隔可以是比特级. 也可以是字符级或更大的粒度
  • 同步时分复用中同步是指时隙被提前分配给数据源, 且是固定的
• 流程
  数据$m_i(t)$ —>缓存 数据$m_i(t)$ —>扫描操作 TDM流$m_c(t)$ —>调制解调 经调制的TDM流$s(t)$
  经调制的TDM流$s(t)$ —>调制解调 TDM流$m_c(t)$ —>扫描操作 数据$m_i(t)$ —>缓存 数据$m_i(t)$
• 链路控制
  • 不需要链路控制, 数据流无头尾
  • 数据率是固定的, 没有信息将发送空时隙
• 差错控制: 基于单信道的差错控制
• 组帧
  • 无需为帧定界, 但需源宿同步
  • 增加数字组帧: 每个TDM帧附加一个控制比特
  • 同步搜索模式：接收器将接收到的帧中的比特位与预期的模式相比较, 直到这个模式在多个帧里持续传输
  • 脉冲填充: 同步不同数据率的源
• 数字载波系统
  • E体系: 2.048Mbps
  • T体系: 1.544Mbps

  • Statistical TDM 统计时分复用

• 概念
  • 每一源有一缓存, 填满时作为一帧发送
  • 根据需求分配时隙, 解决空时隙和浪费问题
• 电缆调制解调器
  • 有线电视网访问Internet
  • 信道

用户到网络数据	电视节目	网络到用户数据
5-40MHz	50-550MHz	550-750MHz

• 每个信道被多个用户共享

  ADSL 非对称用户数字线路

  • 用户与广域网之间的线路, 用双绞线或电话线, 下行大于上行
  • 使用频分复用, 低25kHz用于话音, 使用回声抵消或FDM双向传输
  • FDM

话音POTS	上行流	下行流
0-20kHz	25-200kHz	250-1000kHz

• 更多xDSL
  • HDSL: 高数据率数字用户线路, 两根双绞线
  • SDSL：单线数字用户线路
  • VDSL：甚高数据率数字用户线路

第九章: 交换

电路交换

• 概念
  • 公共电话网PSTN, 为话音通话开发, 也能处理数字数据
• 流程
  • 建立通路, 通信, 断开通路

空分交换

• Crossbar Switch Fabric
  • 两两交叉, $n$入$n$出, 将有$n^2$个交叉点, 而至多用$n$个交叉点
  • 非阻塞
• 3-Stage Space Division Switching

第一级	第二级	第三级
$\frac{N}{n}$个$n\times m$单元	$m$个$n\times n$单元	$\frac{N}{n}$个$N\times m$单元

• $m\geq 2n - 1$时非阻塞, 否则阻塞

• Banyan Switch
  

  • 利用输入端的二进制编码来构建多层空分交换, $N = 2^k$, 则共有$k$层, 每层$2^{k-1}=N/2$个$2\times 2$单元
  • 每层接线按照输入端二进制编号的各位连接
  • $N=8$, 是三级空分交换, 此时算得非阻塞

分组交换

• 概念
  • 数据交换, 大数据段分为较小的数据包, 数据包包括用户数据和控制信息
  • 包途径多个节点, 在节点处被缓存, 链路可用将被发送

数据报交换

• 概念
  • 每个数据包被当作单独的数据包对待, 独自寻路, 不受此前包的影响
• 特性
  • 无建立时间
  • 灵活
  • 可靠

虚电路交换

• 概念
  • 先建立路径(虚拟), 此后发送数据包均按此路径发送
• 特性
  • 网络可提供排序和错误控制(包按序发送)
  • 传送速度更快(无需选择路由)
  • 较不可靠

异步传输模式ATM

• 概念
  • 信源: 小的, 固定长度的分组, 减小时延
  • 面向连接的分组交换技术: 提供类似电路交换网络的性能, 同时有提供分组交换的灵活性和效率
  • 数据率: 高
  • 支持数据, 话音, 视频
  • 传输: 基于优先级和QoS(服务质量), 用户可选择服务等级
• ATM逻辑连接
  • 虚通路: VCC, 类似虚电路, 速率可变, 全双工, 定长信源流
  • 虚通道连接: VPC, 一群具有相同端点的虚通路

  • 本章习题

• 性能分析

交换方式	建立时间$t_{build}$	实际传输的数据$L’$	传输时间$t_{trans}$	节点延迟$t_{delay}$	总时间$t$
电路交换	$S$	$L$	$\frac{L}{B}$	$DN$	$S + DN + \frac{L}{B}$
数据报交换	$0$	$P\lceil\frac{L}{P-H}\rceil$	$P\lceil\frac{L}{P-H}\rceil/B$	$DN$	$DN + P\lceil\frac{L}{P-H}\rceil/B$
虚电路交换	$S$	$P\lceil\frac{L}{P-H}\rceil$	$P\lceil\frac{L}{P-H}\rceil/B$	$DN$	$S + DN + P\lceil\frac{L}{P-H}\rceil/B$

第十章: 蜂窝无线网络

蜂窝无线网络的概念

• 蜂窝构成
  • 区域被分为蜂窝
  • 蜂窝使用低功率发送器: 100W以下, 控制功率防止频率逃逸
  • 每个蜂窝一个基站: 发送, 接收, 控制单元
  • 相邻蜂窝频率不同: 防止干扰
  • 蜂窝形状为六边形: 蜂窝半径为$R$, 则相邻蜂窝中心距离$\sqrt{3}R$
• 频率重用
  • $D$: 使用相同频率的蜂窝(同波道)中心之间的距离
  • $R$: 蜂窝半径
  • $d$: 相邻蜂窝中心之间的距离
  • $N$: 重复模式中的蜂窝数量, 重用系数, 其可能值仅有这些
    $$N=I^2+J^2+(I\times J)\quad I,J\in\mathbb{N}$$
  • 有以下关系式
    $$\frac{D}{R}=\sqrt{3N}$$
• 增大容量
  • 添加新信道: 建立时不会用完全部的信道, 添加新信道满足扩张
  • 频率借用: 拥塞的蜂窝可以从邻近的空闲蜂窝借用频率, 也可动态指派频率给各个蜂窝
  • 蜂窝分裂: 大蜂窝在使用率高的地区分裂为小蜂窝, 其功率低覆盖面积小
  • 蜂窝扇区化: 定向天线, 蜂窝被划分为楔形扇区, 指派蜂窝频率的一个真子集
  • 微蜂窝: 功率和覆盖范围超小的蜂窝, 建筑物内, 公路旁, 城市街道等\

蜂窝系统的操作

• 信道
  • 控制信道: 交换 建立与维持呼叫的信息
  • 业务信道: 承载用户之间话音或数据的连接
• 呼叫典型步骤 MTSO

功能	描述
移动单元初始化	定期扫描, 选择使用最强的基站建立控制信道, 并与控制该蜂窝的MTSO握手, 之后监听是否有寻呼
移动台发起的呼叫	移动单元通过在已选的建立信道上, 若信道空闲, 发送被叫单元的号码来发起呼叫
寻呼	MTSO根据被叫号码, 向某些基站发送寻呼信息
呼叫接收	被叫单元识别寻呼, 向基站发通知 -> 基站向MTSO发通知 -> MTSO建立电路, 选两个业务信道, 通知两个基站 -> 基站通知单元
呼叫进行中	话音或数据信号: 单元 <-> 基站 <-> MTSO <-> 基站 <-> 单元
切换	移动单元跨蜂窝移动, 业务信道切换到指派给新蜂窝的业务信道, 不警告用户
呼叫阻塞	没有空闲业务信道, 将重试数次, 耗尽次数返回忙音
呼叫终止	用户挂机, MTSO得到通知, 释放业务信道
呼叫掉线	信号强度低于最小信号强度, MTSO将得到通知, 释放信道
连接固定用户	MTSO与公用电话交换网络连接
连接远程用户	MTSO通过电话网或专用线路, 与远程MTSO连接, 并为二者用户建立连接

移动无线电传播效应

• 信号强度
  • 太强: 同信道干扰
  • 太弱: 不足以维持连接
• 衰落

移动环境中的衰落

• 三种重要的传播机制
  • 反射
  • 衍射
  • 散射
• 多径传播效应
  • 主脉冲 -> 主脉冲+多个副脉冲: 相当于噪声
• 衰落的类型

类型	描述
快衰落	振幅的变化也高达20一30dB这种类型的迅速衰落变化
慢衰落	接收功率除了出现快速波动之外, 接收到的平均功率水平也会变化
平坦衰落	接收信号的所有频率成分的波动是同时的且成相同比例的
选择性衰落	对一个无线电信号的不同頻谱成分的影响是不同的

四代蜂窝网络

技术	最初设计时间	应用时间	服务	数据率	复用技术	核心网络	更多
1G	1970	1984	模拟话音	1.9kbps	FDMA	PSTN
2G	1980	1991	数字话音	9.6kbps-14.4kbps	(GSM)TDMA, CDMA	PSTN	EDGE, 均衡, 交织, RAKE接收, 功率控制
2.5G	1985	1999	大容量分组化数据	384kbps-2Mbps	TDMA,CDMA	PSTN, 分组网络	多用户检测, 智能天线, Turbo 编码, 多媒体数据
4G	2000	2012	完全基于IP	20~100Mbps-1Gbps	OFDMA, SC-FDMA	IP干线网	自适应调制编码, 混合自动重传, MIMO

LTE-Advanced 传输特性

• FDD与TDD
  • FDD: 成对的上下行信道, 中间有保护频带
  • TDD: 同一频带, 时域上交替
• 载波聚合
  • 带内连续: 相邻的信道被看作被放大的信道
  • 带内不连续: 多个分量载波CC在带内不连续, 需要多个收发器
  • 带间不连续: 多个收发器