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3.1.5 数据通信中的几个技术指标

2007-04-23 16:02 王达 电子工业出版社 字号:T | T
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本章主要介绍局域网、广域网,以及OSI各层主要功能及其工作原理这些基本的计算机网络通信技术,同时还将介绍计算机网络数据通信中常见的技术指标和参数。这些都是我们平常进行各种网络工程施工和系统设计的基础和前提。本节主要介绍了数据通信中的几个技术指标。

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3.1.5  数据通信中的几个技术指标
在数据通信中,有4个指标是非常重要的,它们就是数据传输速率、数据传输带宽(也称“信道容量”)、传输时延和误码率。本节要对它们进行简单介绍。
1.数据传输速率
数据传输率是指单位时间内传输的信息量,可用“比特率”和“波特率”来表示。比特率是每秒种传输二进制信息的位数,单位为“位/秒”,通常记作bit/s。主要单位:Kbit/s,Mbit/s,Gbit/s。目前最快的以太局域网理论传输速率(也就是所说的下面将要介绍的“带宽”)为10Gbit/s。数据传输速率的计算公式如下。
S=1/T log2N(bit/s)
式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码),单位为秒;N为一个码元所取的离散值个数,通常N=2K(K为二进制信息的位数)。当N=2时,数据传输速率的公式就可简化为:S=1/T,表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
“波特率”也称“码元速率”、“调制速率”,或者“信号传输速率”,是指每秒传输的码元(符号)数,单位为波特,记作Baud。若每个码元所含的信息量为1比特,则波特率等于比特率。计算公式:B=1/T(Baud),式中T为信号码元的宽度,单位为秒。
由以上两公式可以得出:S=B log2N(bit/s),或B=S/ log2N(Baud)
在计算机中,一个符号的含义为高低电平,分别代表逻辑“1”和逻辑“0”,所以每个符号所含的信息量刚好为1比特,因此在计算机通信中,常将“比特率”称为“波特率”,即:
1波特(B)= 1比特(bit)= 1位/秒(1bit/s)
例如:电传打字机最快传输率为每秒10个字符/秒,每个字符包含11个二进制位,则数据传输率为:11位/字符×10个字符/秒=110位/秒=110波特(Baud)。
还有一种表示数据传输速率的方法就是“位时间”(Td),它是指传送一个二进制位所需时间,用Td表示。计算机公式如下。
Td = 1/波特率 = 1/B
例如:B=110bit/s,则Td = 1/110 ≈ 0.0091ms
2.传输带宽
简单地说,带宽(Bandwidth)是指每秒传输的最大字节数,也就是一个信道的最大数据传输速率,单位也为“位/秒”(bit/s)。高带宽则意味着系统的高处理能力。不过,传输带宽与数据传输速率是有区别的,前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。
带宽本来是指某个信号具有的频带宽度,其单位是赫兹(或千赫兹,兆赫兹),过去的通信主干线路都是用来传送模拟信号(即连续变化的信号),带宽表示线路允许通过的信号频带范围。但是,当通信线路用来传送数字信号时,传送数字信号的速率即数据率就应当成为数字信道的最重要指标,不过习惯上仍延续使用“带宽”来作为“数据率”的同义语。
从信息论的观点来看,各种信道可概括为两大类:离散信道和连续信道。所谓离散信道就是输入与输出信号都是取值离散的时间函数;而连续信道是指输入和输出信号都是取值连续的。可以看出,前者就是广义信道中的编码信道,后者则是调制信道。
网络或链路的带宽的单位是“比特每秒”(bit/s、bit/s),常用的单位有Kbit/s(103bit/s)、Mbit/s(106bit/s)、Gbit/s(109bit/s)、Tbit/s(1012bit/s)。
如果是离散的信道容量,则根据奈奎斯特(Nyquist)公式可以得到:无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系为:B=2H(Baud);无噪信道传输能力公式为:C=2H log2N(bit/s)。式中的H为信道的带宽,即信道传输上、下限频率的差值,单位为Hz,N为一个码元所取的离散值个数。
如果是连续的信道容量,则根据重要的香农公式可以得出带噪信道容量公式为:C=H log2(1+S/N)(bit/s)。式中H仍为信道的带宽,S为信号功率,N为噪声功率,S/N为信噪比。通常把信噪比表示成10 lg(S/N)分贝(dB)。它表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时,具有一定频带宽度H的信道上,理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。
如果在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化,那么,信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。例如,当信号为1和0相间的脉冲时,在带宽为1Mbit/s链路上每一比特在时间轴上的宽度为1μs,但在带宽为4Mbit/s的链路上,每一比特在时间轴上的宽度就减小到原来的四分之一,即只有0.25μs。
3.时延和时延带宽乘积
时延就是信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=“处理时延”+“传播时延”+“发送时延”。
“发送时延”是节点在发送数据时使数据块从节点进入到传输所需要的时间,也就是从数据块的第一比特开始发送算起,到最后一比特发送完毕所需的时间。又称“传输时延”。发送时延(以s为单位)=数据块长度(以bit为单位)/信道带宽(以bit/s为单位)。
“传播时延”是电磁波在信道中需要传播一定距离所需的时间。传播时延(以s为单位)=信道长度(以km为单位)/电磁波在信道上的传播速率(以bit/s为单位)。
“处理时延”是数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的数据处理所需的时间。在节点缓存队列中分组队列所经历的时延是“处理时延”中的重要组成部分。“处理时延”的长短取决于当时的通信量,但当网络的通信量很大时,还会产生队列溢出,这相当于处理时延为无穷大。有时可用“排队时延”作为“处理时延”。
在总时延中,究竟哪种时延占主导地位,必须具体分析。
如一个长度为100MB数据块在带宽为1Mbit/s信道上,用光纤传送到1000km和1km远的目的计算机所需的时间是多少呢?根据以上公式可以得到:发送时延=100×210×8(数据块长度,因为1MB=1024Byte=210=1024×8bit)/106(信道带宽,因为1Mbit/s=106bit/s)=838.9s,1000km的传播时延=1000(km)/200000(光纤信道的传播速率)=0.005s=5ms,而1km的传播时延会减小到原来的千分之一。由于ms(毫秒)级时间相对于838.9s来说非常小,几乎可以忽略,所以在这种情况下,总时延的数值基本上是由发送时延来决定的。
又如在带宽分别是1Mbit/s和1Gbit/s的情况下,用同样的方法可以计算出光纤传送一字节(1Byte)的数据到1000km远的目的计算机上所需的时间。在1Mbit/s的信道上,发送时延=8(一字节的数据块长度)/106(信道带宽,因为1Mbit/s=106bit/s)=8μs,“传播时延”仍为上面的5ms,此时在5.008ms的总时延中“传播时延”反而占了主要位置。即使将信道的带宽提高到1Gbit/s,也只是在“发送时延”微秒级的基础上减少(发送时延=8/109=0.0008μs),因为此时的传播时延级数达到了ms,所以尽管发送时延有了大幅降低,但总时延仍不会有太多减少。可见,在此情况下,总时延的数值是由传播时延决定的。
基于上述计算,可以得出以上“发送时延”和“传播时延”在总时延中哪个占主导决定作用还要结合具体数据通信过程中传输的数据长度和带宽综合考虑。经常听到的诸如“在高速链路(或高带宽链路)上,比特流传输速度更快”和“光纤信道的传输速率高”之类的说法都是错误的。因为对于高速网络链路,提高的仅仅是数据的发送速率,而不是比特流在链路上的传播速率。也就是说,提高链路带宽只是减少了数据的发送时延,至于传播时延还要通过信道传输速率和传输距离而定。同时光纤信道的发送数据的速率可以很高,而光纤信道的传播速率实际比铜线的传播速率还略低些。
数据的发送速率的单位是每秒发送多少比特,是指某个点或某个端口上的发送速率;而传播速率的单位是每秒传播多少距离,是指传输线路上比特的传播速率。
“时延带宽乘积”为某一链路所能容纳的比特数。例如,某链路的时延带宽乘积为100万比特,这意味着第一比特到达目的端时,源端已发送了100万比特。计算公式如下。
时延带宽乘积=带宽×传播时延
根据以上公式可以得出,链路的“时延带宽积”就是以比特为单位的链路长度。如设某段链路的传播实验为20ms,带宽为10Mbit/s,则时延带宽积=20×10-3×10×106=2×105bit。这表示,若发送端连续发送数据,则在发送的第一比特即将到达终点时,发送端就已经发送了20万比特,而这20万比特都正在链路上传输。
4.误码率
误码率(Pe)是指二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中,一般要求误码率低于10-6,若误码率达不到这个指标,可通过差错控制方法检错和纠错。
误码率计算公式为:Pe=Ne/N。式中的Ne为其中出错的位数,N为传输的数据总位数。
【责任编辑:雪花 TEL:(010)68476606-8008】

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