第二章

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第一章答案

【2-01】物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？

解答：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，而不是具体的传输媒体。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，而通信也有许多不同方式。物理层的作用正是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。
在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。也就是说，发送方发送1（或0）时，接收方应当收到1（或0）而不是0（或1)。因此物理层要考虑用多大的电压代表"1"或"0"，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。当然，哪几个比特代表什么意思，则不是物理层所要管的。传递信息所利用的一些传输媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而在物理层协议的下面。因此也有人把传输媒体当作第0层。

【2-02】规程与协议有什么区别？

解答：规程这个名词仅用于物理层，在其他层不用"规程"，而用"协议"。
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。因此，在物理层，这两个名词并没有多大区别。

【2-03】试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构件的作用。

解答：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）。图 T -2-03就是这样的通信系统模型。
源系统一般包括以下两个部分。
(1）源点：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。
(2）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。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器）,用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统一般包括以下两个部分。
(1）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，它对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。
(2）终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。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，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

【2-04】试解释以下名词：数据、信号、模拟数据、模拟信号、基带信号、带通信号、数字数据、数字信号、码元、单工通信、半双工通信、全双工通信、串行传输、并行传输。

解答：各名词含义如下。
数据：是运送消息的实体。
信号：是数据的电气或电磁表现。
模拟数据：即连续数据，数据的变化是连续的。例如，我们人说话的声音数据（声波）就是连续变化的。
模拟信号：即连续信号，其特点是代表消息的参数的取值是连续的。当我们打电话时，模拟数据（声波）通过电话机的话筒后，变成了连续变化的电信号（模拟信号）。
基带信号：即来自信源的信号，也就是基本频带信号。计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
带通信号：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。这种信号仅在一段频率范围内（即频带）能够通过信道。
数字数据：即离散数据，数据的变化是不连续的（离散的）。例如，计算机键盘输出的就是数字数据。但在经过调制解调器后，就转换成模拟信号（连续信号）了。
数字信号：即离散信号，其特点是代表消息的参数的取值是离散的。
码元：码（ code ）是信号元素和字符之间的事先约定好的转换。例如， A 的 ASCII 码的表示就是1000001，而这里的每一个二进制数字（1或0）都可称为码元（ code element )。码元实际上就是码所包含的元素。上面的例子说明 A 的 ASCII 码包含7个码元。在采用最简单的二进制编码时，一个码元就是一个比特。但在比较复杂的编码中，一个码元可以包含多个比特。
单工通信：又称为单向通信，即只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。
半双工通信：又称为双向交替通信，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。全双工通信：又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
串行传输：数据在传输时是逐个比特按照时间顺序依次传输的。
并行传输：数据在传输时采用了 n 个并行的信道。在每一个信道上，数据仍然是串行传输的，即逐个比特按照时间顺序依次传输。但把这 n 个信道放在一起观察时，就可看出，数据的传输是每次 n 个比特。

【2-05】物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？解答：物理层的接口有以下四个方面的特性：

(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。平时常见的各种规格的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。

【2-06】数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制？信噪比能否任意提高？香农公式在数据通信中的意义是什么？"比特／秒"和"码元／秒"有何区别？

解答：数据在信道中的传输速率是受限制的。首先，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。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了"尾巴"。也就是说，扩散了的码元波形所占的时间也变得更宽了。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模糊而无法识别。为了避免码间串扰，码元的传输速率就受到了限制。其次，所有的电子设备和通信信道中都存在噪声。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1判决为0或0判决为1)。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。对于一定的信噪比，码元的传输速率越大就越容易出现接收时的判决错误。如果增大信噪比，那么码元的传输速率就可以提高而不至于使判决错误的概率增大。
在实际的传输环境中，信噪比不可能做到任意大。一方面，我们的信号传输功率是受限的（经济问题、器件问题、材料的绝缘问题，等等），而任何电子设备的噪声也不可能做到任意小（任何电子设备都有其固有噪声）。因此，在实际的传输环境中，信噪比不可能做到任意大。
香农公式的意义就在于，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。
"比特／秒"和"码元／秒"是不完全一样的，因为比特和码元所代表的意思并不相同。在使用二进制编码时，一个码元对应于一个比特。在这种情况下，"比特／秒"和"码元／秒"在数值上是一样的。但一个码元不一定总是对应于一个比特。根据编码的不同，一个码元可以对应于几个比特，但也可以是几个码元对应于一个比特。

【2-07】假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元／秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率( bit / s )?

解答：如果我们用二进制数字来表示这16个不同等级的振幅，那么需要使用4个二进制数字，即0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,
1111。可见现在用一个码元就可以表示4个比特。因此，当码元速率为20000码元／秒时，我们得到的数据率就是4倍的码元速率，即80000 bit / s 。

【2-08】假定要用3 kHz 带宽的电话信道传送64 kbit / s 的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示）？这个结果说明什么问题？

解答：将以上数据代入香农公式，得出： C =3 kHz x log2(1+ S / N )=64 kbit / s 解出1+ S / N =264/3
SIN =2.64x106
或用分贝表示：( S / N ) aB =101ogio(2.64 x 10°)=64.2 dB
这个结果说明：这个信道应该是个信噪比很高的信道。

【2-09】用香农公式计算一下，假定信道带宽为3100Hz，最大信息传输速率为35 kbit / s ,那么若想使最大信息传输速率增加60%，问信噪比 SIN 应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比 S / N 再增大到10倍，问最大信息传输速率能否再增加20%?

解答：将以上数据代入香农公式，

【2-10】常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

解答：传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播；而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
常用的导向传输媒体有以下几种。
(1）双绞线：也称为双扭线，它的结构比较简单，就是把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来。双绞线的价格便宜，性能也不错，其通信距离一般为几到十几公里，使用十分广泛。双绞线又可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两大类。前者更加便宜，但传输距离和抗干扰性能比不上后者。
(2）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）以及保护塑料外层所组成。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。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1 GHz .
(3）光纤：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做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。光纤有多模光纤和单模光纤之分，现在多模光纤已经很少使用了。单模光纤的衰耗较小，过去在2.5 Gbit / s 的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器，但随着光纤的制造工艺不断进步，单根光纤的传输速率已提高到10 Gbit / s ，甚至40 Gbit / s .如果采用密集波分复用技术，例如使用160的波分复用，那么一根光纤的传输速率就可达到
1.6 Tbit / s 。光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：传输损耗小、抗雷电和电磁干扰性能好、无串音干扰、保密性好、体积小、重量轻。现在光纤通信的性价比越来越高，光纤已经成为非常普及的一种传输媒体。
(4）架空明线：虽然铺设容易，但通信质量差，受气候环境等影响较大，目前已经很少使用。
非导向传输媒体实际上就是利用自由空间来传播电磁波的。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)。因此最近无线电通信发展得特别快，因为利用无线信道进行信息传输，是在运动中通信的唯一手段。无线传输可使用的频段很广。人们现在已经利用了好几个波段进行通信。例如：
(1）短波波段：通信距离远，但通信质量较差。
(2）微波波段：微波在空间是直线传播的，因此传播距离受到限制，一般只有50~100 km 。
不过，可用接力的方法把信号传送到很远的地方。卫星通信实质上也是一种微波接力通信，其
频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰较小，通信比较稳定，但信号的迟延较大。

【2-11】假定有一种双绞线的衰减是0.7 dB / km （在1 kHz 时），若容许有20 dB 的衰减，试问使用这种双绞线的链路的工作距离有多长？如果要使这种双绞线的工作距离增大到100 km ，问应当使衰减降低到多少？

解答：使用这种双绞线的链路的工作距离是：20/0.7=28.6 km .
若工作距离增大到100 km ，则衰减应降低到20/100=0.2 dB / km .

【2-12】试计算工作在1200~1400 nm 之间以及工作在1400~1600 nm 之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2x10m/ s .

解答：频率＝光速／波长，在光纤中光速为2x10m/ s 。
1200~1400 nm :
带宽＝与1200 nm 波长对应的频率减去与1400 nm 波长对应的频率
=2 x 10/1200 x 10’-2 x 10/1400 x 10=23.8 x 10 Hz =23.8 THz
1400~1600 nm :
带宽=2x10/1400x10-2 x 10/1600 x 10-=17.86 x 102 Hz =17.86 THz

【2-13】为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

解答：许多用户通过复用技术就可以共同使用一个共享信道来进行通信。虽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也要增加成本）,但如果复用的信道数量较大，那么总的来看在经济上还是合算的。
常用的复用技术有：频分复用、时分复用（包括统计时分复用）、波分复用（包括密集波分复用和稀疏波分复用）和码分复用（即码分多址）。

【2-14】试写出下列英文缩写的全称，并进行简单的解释。FDM , FDMA , TDM , TDMA , STDM , WDM , DWDM , CDMA , SONET , SDH , STM -1, OC -48。

解答：简单解释如下。
FDM ( Frequency Division Multiplexing ，频分复用）：给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法。组合多个信号的硬件称为复用器，分离这些信号的硬件称为分用器。这里只强调了复用的方式，而并不关心复用的这些信道是来自多个用户还是来自一个用户。
FDMA ( Frequency Division Multiple Access ，频分多址）：强调这种复用信道可以让多个用户（可以在不同地点）使用不同频率的信道接入到复用信道。这里当然采用了复用技术，只不过省略了"复用"二字。如果把译名改为"频分复用多址"，就太不简练了。因此，“频分多址"强调多址；译名中虽然没有提到"复用”，但是使用了频分复用技术。
TDM ( Time Division Multiplexing ，时分复用）：把多个信号复用到单个硬件传输信道，它允许每个信号在一个很短的时隙使用信道，接着的时隙再让下一个信号使用。这里只是说明了复用的方式，而并不关心复用的每个时隙的信号是来自多个用户还是来自一个用户。
TDMA ( Time Division Multiple Access ，时分多址）：强调这种复用信道可以让多个用户（可以在不同地点）使用不同的时隙接入到复用信道，即强调的是多址；译名中虽然没有提到"复用"，但是使用了时分复用技术。
STDM ( Statistic TDM ，统计时分复用）：又称为异步时分复用，是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。 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。
WDM ( Wavelength Division Multiplexing ，波分复用）：就是光的频分复用。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成倍地提高了。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。
DWDM ( Dense WDM ，密集波分复用）：是波分复用的一种具体表现形式。 DWDM 的波长间隔很小，不到2 nm ，甚至小于0.8 nm 。因此现在可以把几十路甚至一百多路的光载波信号复用到一根光纤中来传输。由于 DWDM 的普及应用，现在人们谈论的 WDM 系统几乎全都是 DWDM 系统。
CDMA ( Code Division Multiple Access ，码分多址）：使用码分复用的一种共享信道的多址方法。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，各用户之间并不会造成干扰，因此这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。译名中虽然没有提到"复用"，但是使用了码分复用技术。
SONET ( Synchronous Optical Network ，同步光纤网）：美国在1988年首先推出的一个数字传输标准。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 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 为基础倍增。当这个倍数是768时，传输速率近似为40 Gbit / s 。
SDH ( Synchronous Digital Hierarchy ，同步数字系列）: ITU - T 以美国标准 SONET 为基础制定出的国际标准。 SDH 的基本速率为155.52 Mbit / s ，称为 STM -1。
STM -1( Synchronous Transfer Module -1，第1级同步传递模块）：通过光纤传输数据的一系列标准。 SDH 标准规定第1级同步传递模块（即 STM -1）的传输速率是155.52 Mbit / s ，然后把 n 倍的速率记为 STM - n 。
OC -48( Optical Carrier -48): OC ( Optical Carrier ）的意思就是光载波，是 SONET 标准的表示方法。此标准规定第1级光载波（即 OC -1）的传输速率是51.84 Mbit / s ，然后把 n 倍的速率记为 OC - n 。例如， OC -48的传输速率是48倍的 OC -1速率，即2488.32 Mbit / s ，一般写为2.5 Gbit / s

【2-15】码分多址 CDMA 为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰？这种复用方法有何优缺点？

解答： 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，还必须互相正交。两个不同站的码片序列正交，就是这两个码片向量的规格化内积等于0。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。而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是﹣1。
现在假定在一个 CDMA 系统中有很多个站在相互通信，每一个站所发送的都是数据比特和本站的码片序列的乘积，因而是本站的码片序列（这个码片序列相当于发送比特1）和该码片序列的二进制反码（这个码片序列相当于发送比特0）的组合序列，或什么也不发送（相当于没有数据发送，既不是发送比特1也不是发送比特0)。我们还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。
现假定有一个 X 站要接收 S 站发送的数据。 X 站必须知道 S 站所特有的码片序列。 X 站使用它得到的码片向量 S 与接收到的未知信号进行求内积的运算。 X 站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。 X 站在接收机中有一个重要步骤，就是要进行求内积的计算。计算后的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0)，而只剩下 S 站发送的信号。当 S 站发送比特1时，在 x 站计算内积的结果是＋1，当 S 站发送比特0时，内积的结果是﹣1。这样就收到了 S 站发送的数据。可见其他站对 X 站与 S 站的通信不会产生干扰。采用码分多址 CDMA 所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"黑客"发现。随着技术的进步， CDMA 设备的价格已大幅度下降，体积也大大减小，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是无线局域网中。采用 CDMA 可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，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，等等。

【2-16】共有四个站进行码分多址 CDMA 通信。四个站的码片序列为：B

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【2-15】码分多址 CDMA 为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰？这种复用方法有何优缺点？

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计算机网络第八版——第二章课后题答案（超详细）相关推荐

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