通信网理论基础-第1-2章-绪论和通信网的组成要素.pdf
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1、通信网理论基础 本课程使用的教材 通信网理论基础 作者周炯磐教授 出版人民邮电出版社 参考书 通信网基本概念与主体结构影印版 原书名Communication Networks Fundamental Concepts andKey Architectures 作者Alberto Leon-GarciaIndra widjaja 出版清华大学出版社 通信网基础 作者王承恕 出版人民邮电出版社 本课程的内容安排第一章对通信网作一概述对要研究和探讨的问题作一概述第二章对通信网内的部件和必要的标准协议作一介绍第三章研究网络拓扑结构介绍现代图论的基本概念最短径和 最大流量算法等这些是近代网络结构优化的
2、必要知识第四章研究网内业务量的分析方法介绍排队论的基本概念和方 式第五章介绍现代网络可靠性理论的基本概念网络结构的分解和 简化模型计算网络的各种性能指标第六章讨论通信网的优化理论这是网络理论向实用化发展的一 个方向第一章第一章 引论引论通信的概念通信的概念 通信信息的传递和交换 传递克服时间和空间的限制 交换信息只有交换才有意义1.1.1.1.系统与网络系统与网络 通信系统将一个用户的信息传送到另一个用户的全部设施 单工通信系统 发端机把信源信息转换成可在信道上传送的信号 信道传输信号所需的线路及其附属设备 收端机把信号恢复成用户所需的信息 双工通信系统如电话 用户 A 与用户 B 之间 有一
3、套从 A 到 B 的独立正向通信系统 还有一套从 B 到 A 的独立反向通信系统 半双工通信系统如步话机 用户 A 与用户 B 之间收发端机各有一套 信道只有一条正向通信与反向通信分时共用 通信网络 通信网络是通信系统的系统 当几个用户要两两之间相互通信时 就需要一个通信网络 最简单的方法就是构成一个全联结网 即建立 n(n-1)个通信系统 或 n(n-1)/2 个双工或半双工通信系统 但成本最高资源利用率最低浪费最大 当然还有许多其它的方法来构成更经济更高效的各式各样的通信网 如电路转接信息转接多址随机接入等方法 引入卫星通信所形成的面式网 计算机通信中的总线网 通信网问题 指带有综合性和整
4、体性的问题 不涉及具体的通信设备 整体性问题的发展 将指导部件设备的发展方向 以便更好地组成合理的通信网 网络结构优化和规划理论 比依据人的经验进行设计会有较大的节约 业务量的随机性分析与优化控制理论 将导致更有效地使用信道和设备 可靠性理论 会使通信网的运行更趋稳定 在有限地增加投资的情况下 通信的中断率可大量地减小1.2.1.2.通信网类型通信网类型 依通信的内容来分电话网电报和电传网传真网和计算机网广播电视网 电话网语言是人类交换信息的主要手段 但语言听觉信息易于传输 所以发展得最快最庞大最完善 电报和电传网电报包含的信息量最小 所以它是第一次实现远程通信的业务 但它包含的信息量过小不能
5、完全满足人类的需要 计算机网 广播电视网单向通信 不同的网络往往不能相互调节 即当某种网络的业务溢出时无法利用另一类网络 依通信范围来分局部网市内网国内网国际网 或专用网公用网 或固定网移动网 各种局部网各个国内网有可能采用不同的制式不同的标准因此互联时会出现问题 依信道来分有线网无线网 或电缆网无线短波网微波中继网卫星网光缆网 无线短波网成本低易建设 但质量不稳定甚至得不到保证 卫星网适宜建设远距离全联结网 光缆网容量大干扰小质量甚好1.3.1.3.对通信网的要求对通信网的要求(1)转接的任意性(2)通信的可靠性(3)通信的时效性(4)信息的透明性(5)质量的一致性(6)结构的灵活性可扩充性
6、简单性(7)对新业务的适应性(8)经济上的合理性(9)在某些情况下还会要求通信的安全性 转接的任意性 网内任意两个用户可以互通信息 如果网中的某些用户不能与其它用户通信 则这些用户不能称为属于这个网 任意转接还包括快速接通的含义 如果接通需要花费很长时间 则对某些情况来说这种接通也是无效的 通信的可靠性 一个不可靠或经常中断的网是不能用的 不可靠性包含 通路中某些物理环节发生物理性故障 致使丧失原有功能又不能及时修复引起长时间接不通 由于系统受到某种干扰使通信内容发生较严重的畸变错误 由于过载而使网络拥塞使网络处于不可用状态 绝对可靠的网络是没有的 所谓可靠是概率意义上平均故障间隔时间或平均运
7、行率或信噪比或信息差错率能达到要求 在军用通信网中可靠性要求几乎凌驾于经济性之上 关于呼损而须等待也常被作为可靠性来处理 通信的安全性也可作为可靠性要求的一种内容 通信的时效性 通信系统必须在用户可接受的时间范围内完成信息传递 通信的时效性是由信息的时效性决定的 信息的透明性 所谓的透明 就是所有信息都可以在网内传递不加任何限制 就像透明物体中能通过任何波长的可见光一样 信息的透明性要求网络对用户不应有太多的要求 如数据通信中需从线路信号中提取时钟信息 以保证比特同步 当信息流中有过多的连0或连1时 就会影响时钟的提取 如果对用户提出这种要求 则网络对信息的透明性就不好了 透明性良好的网络对用
8、户不作任何限制 任何信息均可畅通无阻 质量的一致性 质量指标对通信系统是非常重要的 质量不符合要求会使通信失去意义 网内任何两个用户不论他们距离的远近 都应有相同或相仿的质量 当然质量的一致性并不是说质量完全相同 而是指规定最低的质量指标 要求所有网内通信都高于这个指标 结构的灵活性简单性可扩充性 建设通信网时总是逐步扩大的 如果一个网络一旦建成后不再容许新用户进网 也不能再与其它网络互联这是很不理想的 严重限制了网络的发展 对新业务的适应性 通信网中业务的建设也是逐步扩大的 电话网对新业务的适应性就不好 能适应传真业务但速率太低 能适应数据业务但速率低利用率低 不能适应图像业务 经济上的合理
9、性 如果网络的造价十分高维修费用非常大 最终导致成本极高则再好的网络也无法运转 如铱星移动系统 这种合理性要求是最复杂的因为它已不仅仅是技术问题 这种合理性与技术经济发展水平有关 经济上的合理性还与用户的需求有关 通常一个网络的建设要分阶段进行以达到最大经济效益 每一阶段建多大容量与需求预测有关 建多了会使设备闲置造成浪费 建少了不能满足要求受到非议 丧失产生良好效益的机会 这些在经济上都是不合理的 通信的安全性 保证通信的内容不会被未授权者所获取或被人破秘而窃取 信息的价值愈来愈被人们所重视 尤其是军事信息第二章第二章 通信网的组成要素通信网的组成要素2.1.2.1.概述概述准软件信令协议标
10、输系统系统交换系统传硬件终端系统用户通信网2.2.2.2.终端终端 终端设备的功能作用使待传送的信息与在信道上传送的信号之间相互转换 终端设备的构成传感器信令发送机接收机 传感器又是终端设备的终端部分 语声传感器将语声信号转换为电信号 炭精话筒逼真度和频响均不甚理想仅用于电话 耳机将电信号转换为语音信号 音箱 图像传感器 滚筒式感光扫描仪用于传真机速度较慢 电子扫描仪用于可视电话电视速度稍快 光敏电子耦合阵列成像仪 红外热敏耦合阵列成像仪 信令 使用户终端能进网并与网内其它用户联系 其中包括 选择被叫用户的寻址信号 控制电路接通与断开的控制信号 辨别状态和表示状态的联系信号2.3.2.3.信道
11、信道 信息的传输通道 在电信网中称为传输线路 它是电磁波的传播途径 当电磁波携带含有信息的一个信号时就构成一条信道 一条传输线路上可以形成多条信道 电磁波的传播方式有无界传播导引传播 无界传播在自由空间中传播 导引传播沿导体传播这类信道称为有线信道 信道的分类 按媒体分 有线信道架空明线对称电缆同轴电缆光缆 无线信道地波信道长波短波电离层反射信道微波视距传播信道人造卫星中继信道各种散射信道 按参数分 恒参信道 恒定参数信道 对信号传输的影响是确定的或变化是及其缓慢的 可等效为一个非时变系统 如架空明线电缆光缆中长波地波传输信道微波视距传输信道 随参信道 随机参数信道变参信道 对信号传输的影响是
12、 不确定的随机的 对信号传输的影响是 随时间变化很快的 对信号的衰耗也随时间变化 对信号的延迟也随时间变化 有多径传播现象 如短波电离层反射信道超短波流星余迹散射信道超短波对流层散射信道超短波超视距绕射信道超短波及微波对流层散射信道 按信号分 模拟信道 载波传输信道 模拟微波信道 数字信道 PCM 传输信道 数字微波信道 无线信道 无线信道的划分 频段名称频段名称 频率范围频率范围 波段名称波段名称 波段范围波段范围 主要用途主要用途极低频极低频 ELF 330 Hz极长波极长波 ELW10010 兆米兆米超低频超低频 SLF 30300 Hz超长波超长波 SLW 101 兆米海底通信兆米海底
13、通信电报电报特低频音频特低频音频 ULF3003000 Hz特长波特长波 ULW10010 万米数据终端万米数据终端实线实线甚低频甚低频 VLF 330 kHz甚长波甚长波 VLW 101 万米导航万米导航频率标准频率标准低低 频频 LF 30300 kHz长长 波波 LW 101 千米导航千米导航电力通信电力通信中中 频频 MF3003000 kHz中中 波波 MW 101 百米广播百米广播业余无线业余无线高高 频频 HF 330 MHz短短 波波 SW10010 米国际定点通信米国际定点通信甚高频甚高频 VHF 30300 MHz米米 波波 VSW 101 米电视米电视,调频调频,移动移动
14、特高频特高频 UHF3003000 MHz分米波分米波 USW 101 分米电视分米电视,雷达雷达,遥测遥测超高频超高频 SHF 330 GHz厘米波厘米波 SSW 101 厘米卫星厘米卫星微波接力微波接力极高频极高频 EHF 30300 GHz毫米波毫米波 ESW 101 毫米射电天文毫米射电天文科研科研至高频至高频3003000 GHz丝米波丝米波 101 丝米丝米 长波信道 频率300 千赫以下 波长1000 米以上 特点 沿地表海面传播 损耗小有利于通信 带宽小不适合大容量通信 用途 曾用于长距离通信大使馆与国内的通信 现仅用于航海导航系统 中波信道 频率0.3 兆赫 3 兆赫 波长1
15、00 米 1000 米 特点 以地表面波为主要传播方式 传播损耗比长波要大些传播距离中等 用途 0.5 兆赫1.5 兆赫用于调幅广播 其它频段用于港口及其附近海域的移动通信 短波信道 频率3 兆赫 30 兆赫 波长 10 米 100 米 特点 地波传播短波可以沿地表传播但衰耗已经很大通常作近距离传输 天波传播短波也可以经电离层反射传播反射可以是一次或多次传播距离在几千至上万公里一次反射最大跳距约 4000 公里 由于波长已经较短所以天线设备可以较小 由于电离层受昼夜地磁太阳黑子等环境影响较大使得衰落现象严重不易保证通信质量 用途 可用于远距离通信 在卫星通信出现之前曾经是国际通信的主要手段 广
16、播电台和业余无线电台常采用这个频段 由于组网困难所以通常只用于点对点通信 超短波信道 频率30 兆赫 3000 兆赫 波长0.1 米 10 米 再细分 甚高频 VHF30 兆赫 300 兆赫 特高频 UHF300 兆赫 3000 兆赫 特点 电离层对此波段已不反射 地面传播的损耗已经很大 其主要传播方式为空间直射波+地面反射波 其有效通信距离为100 公里左右 所以只适合于近距传输 可用带宽比短波要大 用途 调频声音广播和电视广播 蜂窝移动通信 微波信道 频率3000 兆赫以上 波长0.1 米以下 再细分 分米波1 分米 10 分米 厘米波1 厘米 10 厘米 毫米波1 毫米 10 毫米 亚毫
17、米波1 毫米以下 特点 波长已经很短天线的方向性相当好通常采用视距传输 在自由空间中传播时电波传输的方向性相当好 能量沿一定的方向传播传输效率较高 频带也较宽适合大容量的信息传输 大气折射浓雾暖地面上冷气团对传输有衰落影响 多径衰落会经常出现 雨衰减会减小接收信号的功率 用途 中继传输每 50 公里设置一个中继站可构建一条很长的微波线路 该频段还可用于构建卫星电路实现越洋通信 散射信道 利用无线电波在对流层散射而返回地面来进行通信 大气层和电离层的不均匀性会造成电波的散射 散射波中的一部分将返回地面从而被接收到 频率范围100MHz10GHz 通信距离150km 1000km 主要问题 散射波
18、的传输损耗很大 存在快慢两种衰落现象因此接收信号强弱变化很大 解决办法 使用大功率发射机大天线低噪声接收机 采用分集接收 特点 传输频带宽通信容量大 不使用地面中继 可以多路复用如 120 路电话或一路电视 不受核爆磁爆极光的影响 成本高 适用 军事通信 跨越海湾山峰沙漠无人区的通信 流星余迹信道 利用流星余迹作为散射媒质原理与散射信道相同 特点 不使用地面中继一次可跳跃几百公里 信号微弱需要大功率传输 难以维持稳定的通路 适用 不宜作为通信网的信道 只能作为特种的点对点通信或备用信道 有线信道 架空明线 结构 由一系列电线杆支持的 架在地面上的一种裸线线路 特点 容易建设成本相对较低 串话现
19、象较严重 通信质量不稳定 线路容量小 对称电缆平衡电缆 结构星绞电缆 特点 对称线对间的相互串音随频率的升高而愈加严重 每公里衰耗与频率 f 成正比 从而限制了使用频率的提高容量不大 应用市话中继线路用户线路部分长途线路 同轴电缆 结构金属圆管管心上一金属导线轴心重合 特点频带宽 低频时串音和抗外界干扰特性不如对称电缆 高频时外导体的屏蔽作用使串音和干扰减小 因此适合高频传输 光缆 光缆上开放的数字容量系列 PCM 一次群 PCM 五次群 光缆系统 目前尚无全光系统因此需要光/电电/光转换 中继器目前已有光放大器所以可不必转换 结构芯线涂覆层加强钢丝护套 光纤的发展 不断降低衰减延长无中继距离
20、?研究造成传输衰减的因素?1970 年20 dB/km0.8m?1972 年 4 dB/km0.80.9m?1974 年2.2 dB/km0.80.9m?1976 年1.6 dB/km0.8m 0.5 dB/km1.3m?1979 年0.2 dB/km1.55m 不断改进生产工艺降低成本 光通信系统的发展 传统的光纤通信系统?线 网?局间中继 用户环路?城市网 宽域网?集成化程度低 高 相干光通信系统 光孤子通信 光波分复用WDM 光时分复用 光纤的优点 频带宽目前n10Gb/s 理论20000GHz 频率特性好 衰耗低0.1 dB/km无中继距离可达 200km 无辐射对其它通信设备无电磁干
21、扰 无感应 安全性好 经济 重量轻耐腐蚀 光纤的缺点 生产工艺复杂 接续衰耗大 有弯曲衰耗 机械性脆弱给成缆带来困难 波导管 微波通信中天线进局的部分使用波导管 在传输的理论研究中使用波导管 信道复用设备 一条线路可以分成多个信道来传送多路信息 由多个信道共用同一条传输线路称为信道复用 信道复用设备应算是信道的一部分 复用的原理与方法有 FDM频分复用如载波通信系统 TDM时分复用如数字通信系统 CDM码分复用 SDM空分复用 另一种复用方式多址接入方式 FDMA频分多址接入如卫星通信就使用这种方式 TDMA时分多址接入如卫星通信就使用这种方式 CDMA码分多址接入如移动通信多弹头导弹控制系统
22、 对信道的要求 经济性 包括初始建设费和经常维护费用 建设的难易程度建设周期资金回收 占用的资源是否允许 容量和质量 随着对信息需求的增长大容量的信道受到人们的关注 质量主要是指信噪比失真误码率码元丢失率等 可靠性 意味着不经常出故障或中断通信 例如 架空明线和短波无线信道 都是价格较低质量和容量不甚理想可靠性较差的信道 微波中继线路 是最经济的容量和质量均较好的信道 卫星信道 其优点很多 卫星寿命不断加长 通信转接容量不断增加费用逐渐下降 卫星具有面式网的特点其通信费用与距离基本无关 卫星构成的网络基本上是全联结网 因此卫星通信很适用于长距离的传输线路 光缆线路 其质量和容量是最优的 占用的
23、资源是二氧化硅在地球表面含量巨大资源成本很低 只是生产工艺较为复杂导致生产成本偏高2.4.2.4.交换设备交换设备 引言 端机和信道构成点对点的通信系统 要把点对点的通信系统组成通信网就必须有交换设备 信息交换有三种方式 电路转接电路交换 信息转接分组交换 随机接入 电路转接 在电路转接通信网中转接任务是由局或站来完成的 通常每个局覆盖若干个用户 各局之间用中继线联结 每个局通常能完成三种转接任务 局内用户间的转接 本局用户与它局用户间的转接 它局用户之间的转接 每个局还应完成信令应答监视计费等管理性任务 电路转接设备 转接设备方框图 开关群原理图开关群监视控制j1j2c1c2?jkjk+Ck
24、Ck+用户线j1j2j3jn-1jnC1 C2 C3Cn-1 Cn进线 出线 控制设备 根据用户的拨号控制开关节点的闭合来实现前述三种转接 电路转接的缺点网络资源线路交换设备等利用率低利用率通常在 50以下 电路转接的优点 连接质量高 实时性好时延小 服务质量有保证 接续和转接速度快 信息安全性较好 信息转接 信息转接又称存储转发系统 信息转接适用于实时性要求不高的业务 同时能够提供准确性要求很高的业务 信息转接的具体应用形式有 分组交换包长不固定 信元交换ATM包长固定 分组交换已成为计算机相互通信的主要方式 信元交换ATM也在电信网中有较为广泛的应用骨干网 信息转接的交换设备 方框图控制器
25、存储中央处理器 它实际上是一个专用计算机系统 控制器是其输入输出接口 只有当控制器处于接受允许状态时对方才发信息 收到信息后先检验是否出错?然后发回确认或否认信息 确认后把信息送到中央处理机去选路并存储 否认后等待前一站重发 信息转接的优点是网络资源的利用率较高 缺点是时延较大不适于实时性要求高的业务 适用性比较 信息转接适用于短的稀疏的信息通信 电路转接适用于较长的信息通信 专线连接不需交换适用于业务量非常大的通信 分组交换的由来 分组交换技术最初是为了提供一种保密的声音通信的手段 60 年代美国国防部主持了一项研究 目的是开发一种能交换带有声音对话的分组网络 人们希望把一个声音对话分割成许
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