重庆邮电大学-现代通信技术ppt课件-数据通信.ppt

1,现代通信技术,第六章 数据通信与数据网2007年6月,2,6.1 数据通信概述,数据通信的定义和特点 1、数据和数据通信的概念 在电信领域中，信息一般可分为话音、数据和图像三大类型。因此，对应三种通信方式：话音通信，数据通信和图像通信。数据通信就是计算机和计算机之间的通信。它是计算机技术和通信技术结合的产物。计算机存储、处理、输入和输出都是数据信号。,3,数据表示信息的内容是十分广泛的，如电子邮件、各种文本文件，电子表格、数据库文件、图形和二进制可执行程序等。它们都是由数字、字母和符号等组成的，所以定义如下：数据是预先约定的具有某种含义的数字、字母或符号的组合。数据信号是数字型的信号。在电路的传输中，可以用不同极性的电压、电流或脉冲来代表。数据通信是将这样的数据信号加到数据传输信道上传输，到达接收地点后再正确恢复出原始发送的数据信息的一种通信方式。,4,数据通信可实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的通信；需按照某种协议连接信息处理装置和数据传输装置，进行数据的传输和处理。计算机与通信的结合，克服了时间和空间上的限制使人们可以利用终端在远距离共同使用计算机；提高了计算机的利用率，使计算机的应用范围扩大到各个社会生活领域，从而使信息化社会进一步向前推进。,5,2、数据通信的特点：,数据通信是人机或机机通信，计算机直接参与通信是数据通信的重要特征；数据传输的准确性和可靠性要求高；数据传输速率高，因此要求接续和响应时间短；通信持续时间差异大。,6,3、数据通信的发展与原有通信网资源的关系,在发展初期：主要利用专线构成各种专用数据通信系统。20世纪60年代初：在电话网上开放数据业务。20年代70年代：一些国家逐步建立了公用数据网。,7,数据通信系统的构成,数据通信就是计算机和计算机之间的通信。现代数据通信系统实际上是一个计算机网络，由两部分组成：数据传输系统和数据处理系统。数据传输指的是通过某种方式建立一个数据传输通道将数据信号在其中传输，它是数据通信的基础；数据处理的目的是为了使数据更有效、可靠地传输，它包括数据集中、数据交换、差错控制、传输规程等。研究数据通信系统包括两方面内容：,8,一方面研究信道的组成、连接、控制及其使用;另一方面研究信号如何在信道传输和控制。1、数据通信系统的组成 由终端(DTE)、数据电路和计算机系统三种类型设备组成。如下图所示：,9,数据终端：,数据终端设备由数据输入设备（产生数据的数据源），数据输出设备（接收数据的数据宿）和传输控制器组成。数据输入/输出设备是操作人员与终端之间的界面，它把人可以识别的数据变换成计算机可以处理的信息或者相反的过程。数据输入/输出可以通过键盘、鼠标、手写、声、光等手段。,10,最常见的输入设备是键盘、鼠标、扫描仪；输出设备可以是CRT显示器、打印机、绘图机、磁带或磁盘的写入部分、传真机和各种记录仪等。传输控制器是通信控制部分，主要执行与通信网络之间的通信过程控制，包括差错控制和通信协议实现等。数据终端设备的种类很多，如按其使用场合可分为通用数据终端和专用数据终端，按其性能可分为简单终端（如一台只接收数据的打印机）和智能终端（如计算机）等等。,11,数据电路：,远端的数据终端设备通过数据电路与计算机系统相连。数据电路由传输信道（通信线路）及两端的数据电路终接设备（Data Circuit Terminating Equipment 简称DCE）组成。数据电路位于DTE和中央计算机系统之间，为数据通信提供数字传输信道。DCE是DTE与传输信道之间的接口设备，DTE产生的数据信号可能有不同的形式，当都表现为脉冲信号，DCE的主要作用是信号变换。,12,具体地说就是在发送方DCE将来自DTE的数据信号进行变换，消除原数据信号内的直流分量，使信号概率谱与传输信道相适应，并防止数据信号中出现的长串“1”或“0”时可能导致的收发双方的失步，接收方则完成相反的变换。当传输信道是模拟信道时，发送方将DTE送来的数字信号进行调制（频谱搬移）变成模拟信号送往信道或进行相反的变换，这时DCE是调制解调器（MODEM）。,13,当传输信道是数字信道时，DCE实际是数字接口设备(数字接口适配器)，其中包含数据服务单元与信道服务单元。前者执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步等功能；后者则执行信道均衡、信号整形和环路检测等功能。,14,计算机系统：,计算机系统由主机、通信控制器(又称前置处理机)及外围设备组成，具有处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理的结果向相应数据终端设备输出的功能。主机又称中央处理机，由中央处理单元(CPU)主存储器、输入/输出设备及其他外围设备组成。其主要功能是进行数据处理。,15,通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。当考察正在通信的一个DTE和计算机系统时，计算机系统等同于一个 DTE，这时的通信控制器的作用与传输控制器相同。一个计算机系统可通过通信线路连接多个数据终端，实现主机资源共享。,16,2、传输信道的分类：,传输信道从不同角度有不同的分类方法：模拟信道和数字信道；专用线路和交换网线路；有线信道和无线信道；频分信道和时分信道等等。,17,3、数据通信与传统电话通信的比较,电话通信必须有人直接参加，即人参与了整个的通信过程并控制通信的进程。而数据通信没有人的直接参与，因而通信的进程控制必须有通信控制器和传输控制器来完成，它们是按照预先约定的传输控制规程来完成通信进程控制的。这些工作包括通信线路的连接、收发双方的同步、工作方式的选择、传输差错的检测和校正、数据流的控制、数据交换过程中可能出现的异常情况的检测和恢复等。,18,所以，当数据电路建立后，为了进行有效的数据通信，还必须由图2-1所示的传输控制器和通信控制器按照事先约定的传输控制规程来对传输过程进行控制，以使双方能够协调和可靠地工作，这些传输控制规程就是我们前面提到的通信协议.因此，我们通常把由控制装置（传输控制器和通信控制器）和数据电路所组成的部分叫数据链路（Data Link）。一般来说，只有建立起数据链路以后，通信双方才能真正有效地进行数据通信。,19,数据信号的传输方式,1、数据电路连接方式：具体参见书199页图6.2 点到点的专线连接；点到多点专线连接；点到多点集中连接；多点到多点复用连接；通过交换网连接。,20,图6.2 数据电路的连接方式,21,22,2、数据传输的基本形式,基带传输 所谓基带，就是指电信号所固有的基本频带。数字信号的基本频带是从0开始至某一频率的,这个频率由传输速率决定。当利用数据传输系统直接传送基带信号，不经过频谱搬移时，称之为基带传输，这种数据传输系统就称之为基带传输系统。,23,频带传输,所谓频带传输，就是把二进制信号(数字信号)进行调制变换，使之成为能在公用电话网中传输的音频信号(模拟信号)，该音频信号通过传输介质传送到接收端后，再由解调器解调还原成原来的二进制电信号。所以频带传输是利用公用电话网的音频话音信道进行数据传输。,24,宽带传输,宽带是指比音频带更宽的频带。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。它可以容纳全部业务，并可进行高速数据传输。宽带传输系统大多是模拟信号传输。一般来说，与基带传输相比，宽带传输有以下优点：能在一个信道中传输声音、图像和数据信息,使系统具有多种用途；,25,一条宽带信道能划分成多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；宽带传输的距离比基带远。数字数据传输 数字数据传输采用PCM数字信道作为数据信号传输信道称为数字数据传输信道。由于每一数字话路的传输速率为 64Kbit/s，所以，每一话路可复用5路9600bit/s或10路4800bit/s的数据。,26,这种传输系统的传输速率高，传输质量好，对长距离的数据传输是比较理想的数据传输信道，另外，不需要调制解调器，是当前大力发展的一种数据传输方式。但是，采用数字传输要求全网的时钟系统保持同步，因此这种数字数据传输方式的灵活性不如模拟传输方式。,27,3、同步传输与异步传输,如上面所述，利用PCM数字信道传输数据信号,首先要解决一个问题：数据信号如何进入 PCM话路的问题。有两种情况：同步方式 这里的“同步”是指数据终端设备 DTE发出的数据信号和待接入的PCM信道的时钟是相互同步的,即DTE发出的数据信号在速率和时间上都受到PCM信道的时钟控制。因此只需要对数据信号进行多路复用。这种方式中，数据终端设备处于受控制的从属地位，因此灵活性差。,28,异步方式,如果DTE发出数据信号的时钟与PCM信道时钟是非同步的，即没有相互控制关系，则称为异步方式。这时的数据信号可采用填充方式复用到64Kb it/s的集合信号。填充方式可分为比特填充、字符填充两种方式。比特填充方式 采用缓冲存储器使输入输出信号同步。其原理是首先将多路数据信号复用成零次群，然后输入缓冲存储器，但按PCM系统的时钟读出.速率差通过插入脉冲来调节。字符填充方式（不要求）,29,数字数据传输的包封方式,在数字数据传输中，CCITT(现为ITU-T)颁布了X.50建议和X.51建议来规范将用户数据流复用成64Kbit/s的复用信号的包封方法。其中X.50建议规定采用的6+2包封格式，X.51建议规范是采用 8+2的包封格式。这两种包封格式如下图所示。,(b)(8+2)包封方式,S：状态比特；A：包封同步比特；D：数据比特,30,在图中，X.50的包封由8个比特构成，6个比特为数据比特，2个比特为同步和管理比特，F比特在复用时构成复用帧的帧同步比特；S 比特表示本包封中数据的状态，例如，S=1 表示本包封中的D比特为数据信息，S=0 表示本包封内的 D 比特为控制信息(如信令等)。,F：帧同步比特；D：数据比特；A：状态比特,(b)(6+2)包封方式,31,在 X.50包封中，6/8为数据信息比特，2/8为同步和管理比特。所以，64Kbit/s的6/8，即 48K bit/s用于数据信息的传输，64Kbit/s的2/8，即 1 6Kbit/s用于同步和管理信息的传输。因而，一个 64Kbit/s的的话路可以传送 5路9600bit/s的数据信号；或传送 10路 4800bit/s的数据信号。X.51的情况与X.50的情况类似，只是8/10用于传输数据信息。但是，一个 64Kbit/s 的的话路同样只能传送 5 路 9600bit/s 的数据信号；或传送10 路 4800bit/s 的数据信号。当前国际上较多采用X.50的6+2=8包封复用.,32,6.2差错控制方式,数据通信要求信息传输具有高度的可靠性，即要求误码率足够低。然而，数据信号在传输过程中不可避免地会发生差错，即出现误码。造成误码的原因很多，但主要原因可以归结为两个方面：一是信道不理想造成的符号间干扰；二是信道上存在的噪声和外部各种干扰对信号的干扰。对于前者通常可以通过均衡方法予以改善甚至消除，因此，常把信道中的噪声作为造成传输差错的主要原因。,33,所以，差错控制是针对噪声干扰而采取的技术措施，其目的是提高传输的可靠性。计算机与计算机之间的数据传输要求误码率低于109。现实信道的误码率情况是达不到数据传输的误码率要求的。若要显著到降低Pe数量，提高数据传输、数据交换的可靠性，就需要具有检错和纠错的功能。差错控制的核心是差错控制编码。,34,基本思想：在发送端被传送的信息码序列的基础上，按照一定的规则加入若干“监督码元”后进行传输，这些加入的码元与原来的信息码序列之间存在着某种确定的约束关系。在接收数据时，检验信息码元与监督码元之间的既定的约束关系，如该关系遭到破坏，则在接收端可以发现传输中的错误，乃至纠正错误。可以看出，用纠(检)错来控制差错的方法来提高数据通信系统的可靠性是以牺牲有效性为代价换取的。,35,差错控制方法,常用的差错控制有三种：自动重发请求方式 自动重发请求方式原理图参见书202页图6.4或下图：,能够检测错误的码,反向应答信号,36,自动重发请求方式即检错重发方式，简称ARQ.这种差错控制方式在发送端对数据序列进行分组编码，加入一定多余码元使之具有一定的检错能力，成为能够发现错误的码组。接收端收到码组后，按一定的规则对其进行有无错误的判别，并把判决的结果(应答信号)通过反向信道送回发送端。如有错误，发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已正确接收到信息为止。在具体实现检错重发系统时，通常有 3 种形式,即：停发等候重发、返回重发和选择重发。,37,前向纠错方式,在前向纠错系统中，发送端的信道编码器将输入数据序列变换成能够纠正错误的码(例如汉明码)，接收端的译码器根据编码规律检验出错误的位置并自动纠正。由于能自动纠错，不要求检错重发，因而延时小，实时性好。,前向纠错方式的原理图如下：,能够纠正错误的码,38,前向纠错方式不需要反馈信道，特别适合于只能提供单向信道的场合。例如卫星通信传播时延为0.5s，而且重发费用很大。缺点是所选择的纠错码必须与信道的错码特性密切配合，否则很难达到降低错码率的要求；为了纠正较多的错码，译码设备复杂，而要求附加的监督码也较多，传输效率低。因此，过去单独使用这种控制方式的不很多。但是随着编码理论和微电子技术的发展，译码设备成本降低，加之这种方式具有能实现单向通信和控制电路简单的优点，因而在实际应用中日益增多。,39,混合纠错方式,在这种系统中，发送端发出同时具有检错和纠错能力的码，接收端收到码组后，检查错误情况,如果错误少于纠错能力，则自行纠正；如果干扰严重，错误很多，超出纠正能力，但能检测出来，则经反向信道要求发送端重发。,准确地应叫混合纠错检错方式，是前向纠错和检错重发方式的结合。其原理图如下：,能够检错和纠错的码,反向应答信号,40,混合纠错检错方式在实时性和译码设备复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折衷，因而近几年来，在数据通信系统中采用较多。,41,检错和纠错的基本原理,1、基本原理 所谓差错控制编码实际上就是在保持信息的位数不变的情况下，采用增加码长的方法来降低误码率。具体来说：码的检错和纠错能力是用信息量的冗余度来换取的。一般信息源发出的任何消息都可以用二进制信号“0”和“1”来表示。例如，要传送A和B两个消息，可以用“0”码来代表A，用“1”码来代表 B.,42,在这种情况下，若传输中产生错码，即“0”错成“1”，或“1”错成“0”，接收端都无法发现。因此这种编码没有检错和纠错能力。为什么上页的编码没有检错和纠错能力呢？因为它们没有增加信息的码长，没有信息量的冗余度。而是A、B与“0”、“1”之间2对2的关系.如果我们增加一位码(监督码)，并按一定的规律编码如下：A：00 B：11 后面1位是加入的监督码。,43,即用两位码取代一位码，编码规律是监督位与信息位相同，00和11称为许用码组。而另外的两种组合：01和10称为禁用码组。因此在发送端发出的码组只能是许用码组“00”或“11”，那么，如果在接收端收到禁用码组“01”或者“10”，则我们可以判定数据码组在传输中，发生了且发生了一位错码。通过上面的讨论，我们可以得到结论，加入一位监督码可以检查出一位错码。那么能否检查两位错码吗？,44,当出现两位错码后，必然从一个许用码组错成另一个许用码组，因此，接收端收到许用码组，当然就发现不了错误，所以加入一位监督码不能检查出两位错码。所以能不能检查出几位错码，关键是看最少错几位码就能从一个许用码组错成另一个许用码组.第二个问题现在是能不能纠正一位错码。要纠正一位错码，必须满足两个条件，一是确定本码组发生了一位码错，二是必须确定错码位置。下面我们以为01例来说明：,45,01是禁用码组，可以肯定是发生了一位错，但是01既可能是由00第二位码错而得来，即“1”位错，也可能是由11第一位码错而得来，即“0”位错。两者都可能而且概率一样大。对于这种两种都有可能且概率又一样大的情况，按概率论说就是最不确定的事件，与掷硬币的道理一样。因而无法确定01的错码位置。对于10这个禁用码组情况也是一样。所以可以得到的结论是：不能纠正一位错码。那么怎样才能纠正一位错码呢？,46,只有再加一位监督码，进一步增加编码的冗余度。加码的规律及情况如下：A：000 B：111 后面2位是加入的监督码。加监督码的规律与前相同，但是，由于码组的长度是3，所以禁用码组应有6组：001、010、100、110、101、011 按前面的分析方法，我们可以看出，这种编码方式可以检查出 1位和两位错码，但是不能检查出三位错码。能纠正几位错码呢？只能纠正一位错码。,47,下面我们以100为例来说明：通过讨论可以得出，100既可能是 A信息000的第一位码“0”错成“1”，也可能是B信息111的后两位码“11”错成“00”。但是两种情况发生的概率不一样，发生一位错的概率远大于发生两位错的概率。所以我们得到结论，加入 2位监督码就可以纠正1位错码。注意不能纠正2位错码。通过上面的讨论可知：加入2 位监督码可以检出两位和两位以下的错码以及纠正一位错码。,48,如果本例的编码应用于前向纠错，可以纠正一位错码，两位和三位错码不能纠正，那么是否是只能纠正三分之一的错误呢？残余的误码率是多少数量级呢？通过讨论我们可以得出：一位错出现的概率远远大于出现二位和三位错的概率之和。所以能纠正一位错就能纠正绝大多数错误，而且残余的误码率的数量级已满足数据通信的要求了。所以今后学习的纠错码一般只要求纠正一位错码。由此可见，纠错编码之所以具有检错和纠错能力，是因为在信息码之外附加了监督码。,49,监督码不载荷信息，它的作用是用来监督信息码在传输中有无差错，对接收端的用户来说是多余的，最终也不传送给用户，但它提高了传输的可靠性。但是，监督码的引入，降低了信道的传输效率.一般来说，引入监督码越多，码的检错、纠错能力越强，但信道的传输效率下降也越多。所以，人们研究的目标是寻找一种编码方法使所加的监督码元最少而检错、纠错能力又高，且便于实现。这就是我们以后研究问题的中心思想和基本原则。,50,2、最小汉明距离与纠错能力的关系,为了说明码距的概念，把3位码元构成的8个码组用一个三维立方体来表示，如图6.5所示。图中立方体的各项顶点分别为8个码组，3位码元依次表示为x，y，z轴的坐标。从图中可看出，两个码组的码距就是从一个码组位于的顶点沿立方体各边移动到另一个码组位于的顶点所经过的边数。从图中可看出，两个码组的码距就是从一个码组位于的顶点沿立方体各边移动到另一个码组位于的顶点所经过的边数。,51,例如 001到101的码距是1，010到111的码距是2；而011到100的码距是3。码距：把两个码组中对应码位上具有不同二进制码元的位数定义为两码组的距离，简称码距。求两个码组的码距可以用如下的方法：例1：10110010011101=1000100 所以码距为2 汉明距离 dmin：在一种编码中，任意两个许用码组间距离的最小值，即许用码组集合中任意两元素间的最小距离，汉明距离简称码距。汉明码距在实际中得到广泛应用。,52,汉明码距(简称码距)的意义，即：如果一个编码的许用码组集合的码距为 dmin，则说明在这个许用码组集合中，任意一种许用码组在错码位置正确的情况下，最少要错dmin位码，才能错成另一种许用码组，而如果只错 dmin1以下位码，只能错成禁用码组。例如：码组1011001和1000100的码距是4。要使 1011001 错成1000101，在位置正确的情况下，最少要错4位码，如果只错3位码，则是不可能完成的。,53,最小汉明距离与纠错能力的关系：,为检测e个错码，要求最小码距为 d0e+1 或则说，若一种编码的最小码距为dmin，则它能检出edmin1个错码。为纠正t个错码，要求最小码距为d02t+1,为纠正t个错码，同时检测e(et)个错码，要求最小码距为 d0e+t+1,54,3、编码效率,编码效率是指一个码组中信息位所占的比重,即：k/n 其中，k 为信息码元的数目(信息位长度)；n 为编码组码元的总数(编码后码组长度 n=k+r)；r 为监督码元的数目(监督位长度)。显然，越大编码效率越高，它是衡量码性能的一个重要参数。对于一个好的编码方案，不但希望它的抗干扰能力高，即检错纠错能力强，而且还希望它的编码效率高。但是，两个方面的要求是互相矛盾的,在设计中要全面考虑。,55,6.2.3 常用的检纠错码,1、奇偶校验码 其编码规则是先就所要传输的数据码元分组，在分组数据后附加一位监督位，使得该码组连同监督码这内的码组中的“1”的个数为偶数(称为偶校验)或奇数(称为奇校验)。在接收端按同样的规律检查，如发现不符就说明产生了差错，但是，不能确定差错的具体位置,就不能纠正。,56,需要说明的是，这种奇偶校验只能发现单个或奇数个错误，而不能检测出偶数个错误。因而它的检错能力不高。但是这并不表明它对随机奇数个错误的检错率和偶数个错误的漏检率相同。容易证明，当码组长度远远小于信道上的传输误码率的倒数时，出现奇数位错码的概率比出现偶数位错码的概率大得多。,57,所以，由于能检查出奇数个错误，绝大多数随机错误都能用简单奇偶校验查出，这正是这种方法被广泛用于以随机错误为主的计算机通信系统的原因。但这种方法难于对付突发差错，所以在突发差错很多的信道中不能单独使用。最后指出，奇偶校验码的最小码距为dmin=2。,58,2、二维奇偶校验码,二位校验码是把经偶校验后的若干码组排列成矩阵，每个码字构成一行然后再按列的方向增加垂直校验位，就构成了二维奇偶校验码。,59,显然，这种码比水平奇偶监督码有更强的检错能力。它能发现某行或某列上的奇数个错误和长度不大于行数(或列数)的突发错误。这种码还有可能检测出偶数个错码，因为如果每行的监督位不能在本行检出偶数个错误时，则在列的方向上可能检出。当然，偶数个错误恰好分布在矩阵的四个顶点上时，这样的偶数个错误是检测不出来的。,60,此外，这种码还可以纠正一些错误，例如当某行某列均不满足监督关系而判定该行该列交叉位置的码元有错，从而纠正这一位置上的错误.这种码由于检错能力强，又具有一定纠错能力，且实现容易，因而得到广泛的应用。但是，代价是牺牲了编码效率。,61,3、等重码,在等重码中，每个码字中所含的“1”的数目是相同的(码字中“1”的个数称为码重)，而且码字中“1”和“0”的个数之比是恒定的，所以又称为恒比码，恒比码是一种只能检错的码。国际无线电报码就是一种恒比码。,62,4、汉明码,汉明码是1950年由美国贝尔实验室提出来的，是第一个设计用来纠正一位误码的线性分组码，汉明码及其变型已广泛应用于数字通信和数据存储系统中作为差错控制码。线性分组码是指：将信息码序列划分为等长(k位)的序列段，在每一信息段后附加r位监督码元,且监督码元与信息码元之间构成线性关系，即它们之间可由线性方程来联系。这样构成的抗干扰编码称为线性分组码。,63,在线性分组码中，码字的前半部分是未作任何修改的原始码元，后半部分是监督码元。线性分组码是利用代数关系构造的，它建立在近代代数的基础上，因此又是一种代数码。汉明码的原始设计思想来自于前面讨论的奇偶监督码。下面我们通过一个例子来说明如何具体构造这些监督关系式。设分组码(n,k)中k=4。为了纠正一位错码，按汉明不等式可得r3，若取r=3，则n=kr=7。我们用,64,a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 a2 a6 a5 a4 a1 a6 a5 a3 a0 a6 a4 a3 用S1，S2，S3表示三个监督关系式式中的校正子，则S1，S2，S3的值与错码位置的对应关系可以规定如下表：,65,监督方程为：S1=a6 a5 a4 a2 S2=a6 a5 a3 a1 S3=a6 a4 a3 a0 例如：信息码为1100，则汉明码为1100001 若收到码为1100000，算出校正子为001，则说明第一位错；若收到码为1100011，算出校正子为010，则说明第二位错；若收到码为0100001，算出校正子为111，则说明第七位错；,66,又若：信息码为1001，则汉明码为1001100 若收到码为1 0 0 1 1 0 1，算出校正子为001,则说明第一位错；若收到码为1 0 0 1 1 1 0，算出校正子为010,则说明第二位错；若收到码为0 0 0 1 1 0 0，算出校正子为111,则说明第七位错。,67,3、循环冗余码,循环冗余码是一种典型的线性分组码(n,k)。循环码有许多特殊的代数性质，这些性质有助于按所要求的纠错能力系统地构造这类码，且易于实现(电路简单)；循环码的性能也较好，具有较强的检错和纠错能力。循环码的基本概念 循环码是具有循环性的线性分组码。书205页表6.2给出了一种的全部码字(许用码集)，从表中可以直观地看出这种码的循环性。,68,所以根据这种码的循环性，我们可以根据一个码字循环出这种码的所有许用码集。因而可以说这种码有很强的规律性,所以，检错和纠错的能力强。,表6.2(7,3)循环码字,69,码多项式,我们把码字中码元当作多项式的系数(取值0或1)，若要把n位长的码字(cn-1、cn-2、c1、c0)写成最高次为n-1次的多项式T(x)，则 T(x)cn-1x n-1 cn-2x n-2 c1x c0 多项式T(x)称为码多项式。例如：0010111的码多项式为 x 4 x 2 x 1,70,循环码的编码和译码,循环码的编码和译码的关键是确定循环码的生成多项式，例如，上例中的(7,3)循环码的生成多项式就是其幂次最低的码多项式 x 4x 2x1。有了它我们就能编出所有的许用码字。其编码方法是：在信息码后加r个为0，再除以码多项式得余式,就是要加的监督码元位。例如：信息位为101，则 101 000010111(生成多项式)余1100，,71,所以，正确的码字应为 1011100。译码方法为：把收到的七位码除以生成多项式，如果余式为0，则吴差错，反之，有差错。例如书 205页表中的所有码字都能被生成多项式整除。如 011100110111(生成多项式)余 0000 当0111001错成011110110111(生成多项式)余0100，则说明有错。注意：循环码的纠错比较复杂，就不介绍了。,72,6、卷积码,卷积码也是在信息码之后加入监督码，但是监督码监督的对象不仅包括本码组的码，也监督前后码组的码，所以又称为连环码。,73,6.5数据交换方式,电路交换 在数据通信网发展初期，人们根据电话交换原理发展了电路交换方式。电路交换的原理过程：当用户要发信息时，发出呼叫，由源交换机根据信息要到达的目的地址，把线路接到目的交换机。这个过程称为线路接续，由网络的信令系统完成呼叫信息的传递并控制交换机完成线路接续.线路接通后，就形成了一条端对端(用户终端和被叫用户终端之间)的信息通路，在这条通路,74,上双方即可进行通信。通信完毕，由通信双方的某一方，向所属的交换机发出拆除线路的要求，交换机收到信号后就将线路拆除，以供别的用户呼叫使用。由于电路交换的接续路径是采用物理连接，在传输电路接续后，控制电路就与信息传输无关。电路交换的优点 信息传输延迟小，就给定的接续路由来说，传输延迟是固定不变的；信息编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不受限制，即可向用户提供透明的通路。,75,电路交换的缺点（五点）,电路接续时间长，当传输较短信息时，电路接续时间可能大于通信时间，网络利用率低。电路资源被通信双方独占，线路利用率低。不同类型的终端(终端的数据速率、代码格式、通信协议等不同)不能相互通信。这是因为电路交换机不具备变码、变速等功能。有呼损。当对方用户终端忙或交换网络负载过重而叫不通，则出现呼损。,76,传输质量较差。电路交换机不具备差错控制、流量控制等功能，只能在“端端”间进行差错控制，其传输质量较多地依赖于线路的性能,因而差错率较高。正因为电路交换方式自身的特点，使其适合于传输信息量较大、通信对象比较确定的用户。目前电路交换方式的数据通信网是利用现有的电话网实现的，所以数据终端的接续控制等信号要做到与电话网兼容。,77,6.5.2 报文交换,发展报文交换方式的目的是为了克服电路交换方式中各种不同类型和特性的用户终端之间不能互相通信、电路利用率低以及有呼损等方面的缺点。20世纪60年代和70年代，在数据通信中普遍采用报文交换方式，目前这种技术仍普遍应用在某些领域(如电子信箱等)。报文交换采用的是存储转发方式，可以获得较好的信道利用率。,78,它的基本原理是用户之间进行数据传输时，主叫用户不需要先建立呼叫，而是先进入本地交换机存储器存储，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机。在报文交换方式中是以报文为单位接收、存储和转发信息。为了准确地实现转发报文，一份报文应包括3个部分：报头或标题。它包括发信站地址、终点收信地址和其他辅助控制信息等。报文正文。传输用户信息。,79,报尾。表示报文的结束标志，若报文长度有规定，则可省去此标志。报文交换方式的原理如下图：,第1、2入线的报文A、B经交换由出线n送出；第n入线的报文C经交换从出线1送出,80,报文交换机通常就是一台通用的小型计算机，主要由通信控制器、中央处理机和外存储器等组成，它具有足够的存储容量来缓冲进入的报文，如下图所示：,81,实现报文交换的过程是这样的：,交换机中的通信控制器探询各条输入线路，若某条用户线路有报文输入，则向中央处理机发出中断请求，并逐字把报文送入内存储器。一旦接收到报文结束标志，则表示一份报文已全部接收完毕，中央处理机对报文进行处理，如分析报头、判别和确定路由，登记输出排队表等.然后，将报文转存到外部大容量存储器，等待一条空闲的输出线路。一旦线路空闲，就将报文从外存储器调入内存储器，经通信控制器向线路发送出去。,82,由上面的叙述可知，在报文交换中，由于报文是经过存储的，因此通信就不是交互式或实时的.不过，对不同类型的信息流设置不同的优先等级，则优先级高的报文可以缩短排队等待时间。采用优先等级方式也可以在一定的程度上支持交互式通信，在通信高峰时也可把优先级低的报文送入外存储器排队，以减少由于繁忙引起的阻塞。报文交换方式的优点：参见书222页共七点，也可以重新总结如下,83,可使不同类型的终端设备之间相互进行通信.因为报文交换机具有存储和处理能力，可对输入输出电路上的速率、编码格式进行变换。在报文交换的过程中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在同一条线路上以报文为单位实现时分多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高了线路利用率。用户不需要叫通对方就可以由交换机转发到不同的收信地点。可实现同文报通信，即同一报文可以由交换机转发到不同的收信地点。,84,报文交换方式的缺点：,参见书222页，也可以重新总结如下：信息的传输时延大，而且时延的变化也大。要求报文交换机有高速处理能力。且缓冲存储器容量大，因此交换机的设备费用高。可见，报文交换不利于实时通信，它适用于公众电报和电子信箱业务。,85,6.5.3 分组交换,前面介绍的电路交换和报文交换各有优缺点。电路交换传输时延小，但电路接续时间长，线路利用率低，且不利于不同类型的终端相互通信;而报文交换虽可解决上述问题，但信息传输时延又太长，不满足许多数据通信系统的实时性要求.而数据交换既要求接续速度快、线路利用率高,又要求传输时延小，不同类型的终端能相互通信.为了满足这些要求，则发展了分组交换技术。,86,分组交换是吸取报文交换的优点，而仍然采用“存储转发”的方式，但不像报文交换那样以报文为单位交换，而是把报文截成若干比较短的、规格化了的“分组”(或称包)进行交换和传输。由于分组长度较短，具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队和处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端。一般“分组”经交换机或网络的时间很短，通常一个交换机的平均时延为数毫秒或,87,更短，所以，能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。另外由于较短的分组比长的报文可大大减少差错的产生，提高传输的可靠性。分组是由分组头和其后的用户数据部分组成的.分组头 包含发端地址、接收地址和控制信息(例如分组序号)，其长度为310个字节(一个字节为8比特)；用户数据部分 长度一般是固定的，平均为128字节，最大不超过256字节。,88,分组交换中的数据报方式的原理如下图所示,交换机(a),交换机(b),交换机(c),电子 计算 机C,B,A,D,一般终端,一般终端,一般终端,一般终端,分组式终端,CBA,21,12,A,A,A,B,B,C,C,1,1,2,一般终端,分组传输信道,分组传输信道,分组多路通信,89,拆成两个可分组的报文,分组,分组交换中的数据报方式的原理,90,由前面讨论可知：,数据报方式类似于报文交换方式，将每个分组单独当作一份报文一样对待，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路径。因此同一终端送出的不同分组(分组终端送出的不同分组或一般终端送出的一份报文拆成的不同分组)可以沿不同的路径达到终点。在网络终端，分组的顺序可能不同于发端，需要重新排序。数据报方式的特点：,91,用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对于数据量小的通信，传输效率比较高；数据分组的传输时延大(与虚电路方式比)，且离散度大；同一终端送出的若干分组到达终端的顺序可能不同于发端，需要重新排序。对网络拥塞或故障的适应能力强，一旦某个经由的节点出现故障或网络的一部分形成拥塞，数据分组可以另外选择传输路径。,92,分组交换中的虚电路方式,虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接(称为虚电路)，一旦这种连接建立以后，用户发送的数据(以分组为单位)将通过该路径按顺序通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。虚电路方式原理如下图所示。,93,在分组网中，从源终端到目的终端中间要经过若干交换节点，各节点之间在一条物理信道上有多条逻辑信道，它们是按统计时分复用实现复用的，如图中1，2，3，4条逻辑信道。,94,所谓逻辑信道，是指在两个节点之间，在通信协议中对等层之间的一种连接。在一条逻辑信道两端的交换机节点中，都对应分配一定的存储空间，在每个分组中都标明了所走的逻辑信道号。虚电路方式有以下几个特点：一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除3个阶段。对于数据量大的通信传输效率高。终端之间的路由在数据传送前已被决定。不必像数据报那样节点要为每个分组都要作路由选择的决定，当然每个分组还是要在每个节点上存储、处理和排队等待输出。,95,数据分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对分组重新排序，分组传输时延小，而且不容易产生数据分组的丢失。虚电路方式的缺点是当网络中由于线路或设备故障可能使虚电路中断时，需要重新呼叫建立新的连接，当现在许多采用虚电路方式的网络已能提供重连接的功能，当网络出现故障时将由网络自动选择并建立新的虚电路，不需要用户重新呼叫，并且不丢失用户数据。虚电路可以是临时连接，也可以是永久连接。,96,临时连接的称为交换虚电路，用户终端在通信之前必须建立虚电路，通信结束后就拆除虚电路.永久连接的称为永久虚电路，用户如果向网络预约了该项服务之后，就在两个用户之间建立永久虚连接，用户之间的通信直接进入数据传输阶段，就好像具有一条专线一样，可随时传送数据.分组交换技术可以进行路由选择、流量控制，以保证网络内的数据流量的平滑均匀，提高网络的吞吐能力和可靠性，防止阻塞现象的发生。,97,6.6 数据通信网,数据通信网是一个由发布在各地的数据终端设备、数据交换设备和数据传输链路所构成的网络的网络，在通信协议的支持下完成数据终端之间的数据传输与数据交换。数据网是计算机技术与近代通信技术发展相结合的产物，它使信息采集、传送、存储以及处理融为一体，并朝着更高级的综合体系发展。分组交换网 1、分组交换网的构成：分组交换网的基本结构如下图所示。,98,分组交换网的基本结构,NT 非分组型终端PT 分组型终端 RCU 远程集中器 NMC 网管中心,高速线路,高速或中速线路,转接交换机,本