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数据通信的带宽、吞吐率与信道容量三者的概念

浏览:12143  来源:通信人在线  日期:2018-04-06

在数据通信中,带宽、信道容量和数据吞吐率是衡量通信质量的三个重要指标。但使用中经常被混用,常引起概念上的混淆。这里对有关概念作一简单的比较。

1、吞吐率与信道容量

在早期的网络文献中,吞吐率(Throughput)一词仅用于描述物理通信线路单位时间内传输的比特数,即最大比特率,在有的文献中也采用信道容量C一词来描述物理线路的吞吐率。当OSI/RM出现以后,对吞吐率一词赋予了协议层的特征。在OSI术语中,吞吐率被定义为:在某协议层的两服务访问点(SAPService Access Point)之间,单位时间内传送的服务数据单元数(单位:字节/比特)。对于面向连接的服务,吞吐率是针对每条连接而进行定义与测试的,在建立某OSI层连接时它是需要进行协商的服务质量参数之一;对无连接服务,吞吐率隶属于一对服务访问点。

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当讨论的对象为物理层时,OSI/RM中的吞吐率是指在物理层服务访向点(Ph-SAP)间,数据链路层与物理层间交换的有效二进制位流速率,也即通常所说的数据传输率或简称数据率。应当注意的是:由于采用的编码技术不同,吞吐率与线路上实际传输的位流率(数据率)并不一定相同。例如,说100BASE-T的(最大)吞吐率为100Mbps是指在采用该局网标准时,物理层服务访问点(Ph-SAP)之间能为数据链路层传送的最大有效位流率为100Mbps,但由于100BASE-T采用4B5B编码方式,在传送100Mbps的数据链路层要求的最大数据率(吞吐率)时,在一对双绞线上实际的位流率为125Mbps。按照对离散信道数据传输率R的定义,如果不考虑干扰引起的误码,R=125Mbps。类似地,1000BASE-T采用8B10B编码,传送数据链路层交来的1000 Mbps的位流率,不考虑误码时,在4对双绞线上的数据传输率R=1250Mbps。由此可见,物理层的吞吐率不一定等于线路上的实际位流率,也不一定等于离散信道的数据传输率R或信道容量C

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根据上面的讨论,建议在讨论网络物理层对数据链路层用户位流的最大传输率(这是网络设计者与使用者真正关心的指标)时,为了避免概念上的混淆,还是应避免使用信道容量C和信道数据传输率R,而以使用物理层“最大吞吐率”为好。至于物理层以上协议层的吞吐率,作为服务质量的重要参数之一的“吞吐率”,在相关的ISO文本中有明确的定义,与信道容量在概念上不容易产生混淆。

2、带宽

“带宽”一词最早在通信电路技术中用于描述信道或电路的频率特性,表征信道或电路允许通过的模拟信号频率的范围,也即所谓“通频带”的宽度。具有带通特性的信道的带宽,是其输出频率曲线中输出信号功率降低为最大输出功率一半的两频率点间频差。因此,带宽的量纲是Hz

在现有的网络文献与教材中,常使用带宽一词代替吞吐率或数据吞吐率,例如说10 BASE-T的带宽为10MHz),实际上原意应为其物理层的最大吞吐率或最大数据传输率为10Mbps。事实上,10Mbps吞吐率的10BASE-T使用的介质为3/5类无屏蔽双绞线,前者的最高工作频率为15MHz,后者为100MHz,相应地,其通频带为0~15MHz(其带宽为15MHz)和0~100 MHz(其带宽为100MHz)。尽管传输介质的最高工作频率或带宽可能限制数据传输率,但二者之间并无直接的对应关系,因此,把吞吐率之值说成是带宽值在概念上是完全错误的。

与带宽一词相关的术语还常用于表示高速网络,特别是与光纤或同轴电缆作为通信介质的网络,如“宽带网”、“宽带IP网”等等。电信中常使用的同轴电缆的工作频率范围为300kHz~60MHz,而以太网10BASE5的吞吐率仅为10Mbps;常用的G.651标准的多模光纤,使用850/1310 nm光波时,其带宽分别为200~1000MHz200~1200MHz,在10BASE-FL标准中,吞吐率仅定为10Mbps,在100BASE-FX标准中,吞吐率却为100Mbps,而在1000BASE-SX标准中,吞吐率又为1000Mbps。由此可见,使用带宽较宽的通信介质的网络尽管有可能提高吞吐率,但采用不同通信技术的网络设备的吞吐率就未必一定很高。因此,用通信介质的带宽表示网络吞吐率一是造成概念上的混乱,二是不科学。因此,在讨论网络物理层传输性能时还是以使用物理层数据吞吐率为好,概念清晰准确(有明确的定义),也不必引入通信领域的其他概念(特别是像带宽这样的概念),以免引起混乱。事实上,使用“宽带网”一词时,本意为“高速网”,其意自明,“宽带”只能引起混乱。大家在阅读有关文献时遇到“带宽”和“宽带”时应当注意分析其实际涵义。

在我国通信行业标准YD/T 1133-2001《数据通信名词术语》给出了吞吐率(包括吞吐量)与信道容量的定义,详见下表1中。

1:吞吐率与信道容量的定义

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附录
本文的附表2018-04-06
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