信息与通信工程.ppt

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1、第四章 信息与通信工程,“信息与通信工程”是我国研究生培养“工学”设置的一级学科，以这一学科为背景设置的大学本科（工科）专业包括：通信工程、电子信息工程、信息工程、网络工程、物联网工程、广播电视工程和数字媒体技术等。与“信息与通信工程”学科交叉的本科专业，有：医学信息工程、信息物理工程、电气信息工程、信息显示与光电技术和光电信息工程等。上述这些专业除了与“医学”、“物理”、“电气”和“光电”学科交叉之外，还和“计算机科学技术”交叉。本科专业往往涉及较广的学科领域，而“信息与通信工程”是电子信息科学技术中渗透面很广的学科，而通信又是该学科中理论技术密集，发展迅速，应用普及，对社会影响较大的一个学

2、科领域。本章主要从通信技术、工程和通信网的角度来介绍“信息与通信工程”学科的发展、基本概念及主要内容。,前 言,第四章 信息与通信工程,4.1 电话的发明4.2 电话的普及与固定电话网4.3 移动通信4.4 卫星通信4.5 三网融合4.6 GPS全球定位系统4.7 新型通信机量子通信 小结,4.1 电话的发明,1753年，一位叫摩尔逊的人，利用静电感应的原理，用代表26个英文字母的26根导线通电后进行电报传输。导线太多，设置庞杂，并且静电传送的距离有限，因此这项发明没有得到推广。,远程传送信息一直是人类的梦想,1834年莫尔斯发明电报，开创了利用”电“通信的新时代。1865年法、德、俄、意、奥

3、等20个欧洲国家签订了国际电报公约，开始了电报的大规模商用。,莫尔斯,电报机,贝尔电话构思模型,最早期打电话情形，图中为贝尔,最早使用的听筒,1876贝尔发明电话,注：发明电话日的两种说法：a，美国波士顿法院路109号铜牌上面镌有:“1875年6月2日电话诞生在此”；b，1876年3月10日。前者只是制作出了一个可产生声音的装置，无法传连续语音。商用电话的诞生时间是后者。,一、电话的普及与应用,1882年出现了共电式电话机（没有手摇发电机和干电池，通话所用电源由交换机供给）,1877年爱迪生发明碳精式送话器+手柄+呼叫设备（电铃）+手摇发电机+干电池（磁石式电话机）,1896年美国人爱立克森发

4、明了旋转式电话拨号盘,4.2 电话的普及与固定电话网,1920年美国人坎贝尔发明了消侧音电路（自动电话机-拨号盘电话机）,60年代电子学飞速发展、70年代大规模集成电路出现(电子电话机-按键式电话机),80年代随着N-ISDN的应用出现了数字电话机,(a)1878年手持电话(b)1880年贝尔电话(c)1885年木支架电话(d)1892年磁力电话,（e）1901年磁力电话(f)1914磁力发电机电话(g)1920号码盘电话(h)1930年号码盘电话,“磁石共电自动”电话机,1889年 纽约曼哈顿街上的电话线,1892年纽约至芝加哥的电话线路开通，贝尔在开通现场。,电话迅速普及,我国电话的发展史

5、,1882年6月，皮晓浦以“上海电话互助协会”名义开办了第二个电话局，用户30余家。,1882年2月，丹麦大北电报公司在上海外滩扬于天路开办第一个电话局，用户25家。,1881年，英籍电气技师皮晓浦在上海十六铺沿街架起一对露天电话，付36文制钱可通话一次。(中国土地上的第一部电话),1882年6月，英商“东洋德律风”公司兼并上述两电话局经营，用户仅300多家。,1889，安徽省安庆州候补知州彭名保，自行设计、制造了五六十种大小零件，造出了中国的第一部电话机。,“华为”、“中兴”为代表的具有国际竞争力的大型综合性通信企业,为什么要交换机?,用户数 电缆数 510 10 45 1004950 10

6、0050万,二、电话交换机的演进,人工交换阶段：磁石式电话机 共电式电话机,早期的人工交换,电子式自动交换阶段：半电子交换机：话路部分采用机械接点，控制部分采用电子器件。全电子交换机：话路部分和控制部分均采用电子器件。,机电式自动交换阶段：步进制交换机：由用户拨号，直接控制步进继电器接线方式。纵横制交换机：由用户拨号，间接控制接线方式，接线器动作噪声小。,程控交换机阶段：模拟程控交换机：1965年5月美国开通了第一个程控交换机。数字程控交换机：1970年法国开通了第一个数字程控交换机。,IP交换 IP（Internet Protocol）交换机：不同于程控交换机，它采用了“包”交换体制，通过互

7、联网传送信息。IP交换：效率高，可以将电话、视频都以数据“包”的形式在同一数据通道中传送，以实现三网融合。,1、电话电缆线,三、现代电话交换局机房概况,不同规格市话电缆照片,2、机房电缆布线,电话电缆进入交换机房,电缆在交换机房走线,交换机房配线,交换机内电路板,交换机房监控室,交换机房内的交换机架组图,3、交换机布置和监控,四、数字程控交换机,1.数字程控交换机的硬件组成,数字程控交换机硬件组成方块图,含话路系统和中央控制系统两大部分。,话路系统：由用户电路、中继电路、交换网络、收发码器、信号音部件、端口扫描器、网络驱动器等电路功能块组成。中央控制系统：由中央处理计算机、程序/数据存储器、输

8、入/输出设备等组成。,交换网络：主要完成数据交换的功能，即在某条入线与某条出线之间建立连接，从而实现不同线路端口上的话音交换。交换网络有不同类型，它们只是一块数字集成电路。,用户电路:和电话机相对应，它完成模拟语音信号的编码与解码。各用户的编码、解码独立进行。用户交换机的机架中安装的绝大部分是用户电路板，通常1000至2000用户电路装一个机架。局用交换机则没有用户电路或者只配置少量用户电路。,交换机基本工作过程：,主叫用户摘机：送出摘机信号，扫描器收到用户摘机信号之后，立即将信息送到中央处理器，由中央处理器驱动信号音与用户连接，同时驱动收发码器准备收号；拨号：用户听到信号音，拨号；拨号（脉冲

9、或双音频）数码送入收号器，中央处理器同时分析号码，送被叫交换机；振铃：若被叫空闲，则主叫预占一条话路资源，同时给被叫振铃；被叫用户摘机：处理机将预占的话路与被叫接通，主、被叫进入通话。拆线：主叫或者被叫任何一方挂机，处理机将话路释放，通信终断。,2.程控交换机的软件组成,扫描监视程序：负责检测和识别用户线的状态变化，检测和识别用户线上的摘机/挂机信号和用户拨号。该软件模块的级别是最高的，以保证通话建立时间尽可能短。号码分析是在收到用户所拨号码后进行分析处理。收/发码器可以从用户线上直接接收号码，也可以从中继线上接收它局传送来的号码。号码分析的目的是确定呼叫类型、被叫用户及地域（市话、长话、国际

10、长途？）以及准备执行的下一步任务。,交换机控制软件调度关系,软交换功能结构图,软交换是当前交换技术发展的主要方向！,软交换技术的优点:将业务/控制与传送/接入分离，便于三网融合。,3.软交换,软交换=通用计算机平台（含接口）+软件（完成交换机功能）,五、固定电话网,1电话网的构成,固定电话网的构成图,2我国固定电话网的三级结构,本地网设一级，长途网分为两级（又称两个平面），因而称之为三级结构。本地网中圆圈表示电话交换机，不同形式的圆圈表示交换机的功能有不同（如端局、汇接局）。,我国的电话网结构,本地网交换机无长途电话功能，用户打长途须通过上一级长途交换中心DC2转接。DC1可以直接和各省的长话

11、局互连，DC2则不能。一般并不把长途干线包括在电话网中，而是将其划入传输网。,国际电话局,由于历史原因，ITU在制定规范时允许有两种或者三种标准，由各国自主确定。固定电话我国采用了和欧洲相同的标准，日本采用了和美国相同的标准；因而和欧洲通长途电话无需制式转换，和美国通电话则要将美国的来话转换成我国标准，我国的去话在美国的入口局转为美国标准。目前中国有三个国际电话局，分设在北京、上海、广州。,六、IP电话网,VoIP是利用Internet 技术或网络进行语音通信的新业务，是一项革命性的产品，它可以透过网际网络做实时的传输及双向的通话。,IP电话是通信和互联网相结合的语音通信体制。,IP电话工作流

12、程：,IP电话系统架构,用户终端可以是：个人电脑IP电话机手机固定电话机,网络设备包括：IP电话网关、IP网、路由器和调制解调器（ADSL）等。,注：IP电话网仅共用话机至电话局之间的电话线，其它独立。,IP电话的网络结构,IP电话网设备配置图,优点：节省带宽。固定电话的带宽为64Kkbps。而IP电话只需68Kkbps（甚至低于2.4Kkbps），在固定电话带宽内电话用户数可增加几十倍，从而节省了带宽，降低了成本。通话费用低，尤其是长途电话更经济。功能丰富，便于开通综合业务、智能网业务。IP电话网方便与计算机网的智能模块结合，可以灵活地控制信令和连接，有利于各种增值业务的开发。开放的体系结构

13、。IP电话的协议体系是开放式的，有利于各个厂商产品的标准化和互相连通。多媒体业务的集成。IP电话网络同时支持语音、数据、图像的传输，为将来全面提供多媒体业务打下了基础IP电话缺点:(目前)通话质量较差和通话时延较长。,IP电话的优缺点,七、信令网,信令:用户利用电话网完成通话，交换机必须执行各种动作（硬件的、软件的）才能完成对系统的操作。“信令”就是操作交换机的指令。,用户线信令：用户和交换机间的联络信号,在用户线上传送。包括：摘机信号、挂机信号，直流脉冲或双音多频信号，供电信号，拨号音、忙音、回铃音、振铃信号等。,局间信令：电话局之间传送的信号,在局间中继线上传送。,局间信令的传送已完全与话

14、路独立，而构成了一个独立的专用的信令网。,数据通信系统,八、最后一公里用户的数据接入,1，基本模型,2，调制解调器,实现光纤到户之前，用户数据接入互联网的唯一选择是利用电话线。,3，调制解调器中数据和模拟话音信号复用,作用：将话音、数据、视频等信号复用后通过同一条电话线传输。,复用原理：将电话线的频带划分出话音通道和数据通道。,注：媒质不同，复用方式可能不同。电话线是最常用的传输媒质。,4，调制解调器的多种产品类型,调制解调/路由器,计算内置调制解调器,调制解调器,无线调制解调器,USB无线调制解调器,移动通信是实现任何人(Whoever)可以在任何地点(wherever），在任何时间(whe

15、never)与其他任何对象(whichever)进行任何方式(Whatever)的通信的最佳通信方式！。,4.3 移动通信,移动通信的发展变化之快总是超出人们的预期！2010年全球用户数量已达40亿。,互联网改变了我们的生活和相互沟通的方式。互联网的下一波浪潮将使它自身真正移动化，即移动通信与互联网逐渐融合。音乐、手机电视和导航服务都是推动这一发展进程的关键因素。,模拟蜂窝移动通信阶段,改进完善阶段,初级发展阶段,早期发展阶段,数字蜂窝移动通信阶段,一、移动通信的发展历程和趋势,1.移动通信技术发展的五个阶段,时期：20世纪20年代至40年代。频率:开始:2MHz;40年代:3040MHz特点

16、：专用系统，工作频率较低，数量少,时期：40年代中期至60年代初期。频率:使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工特点：开始向公用移动通信网过渡，人工接续，网络容量较小,时期：60年代中期至70年代中期。频率:150MHz和450MHz频段，自动选择无线频道，能自动接续到公用电话网。特点：大区制、中小容量，实现了自动选频与自动接续。,模拟蜂窝阶段 时期：70年代中期至80年代中期。代表:1978年底，美国贝尔试验室成功研制模拟移动电话系统(AMPS)，建 成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1979年，日本于推出800MHz汽车电话系统(HAMTS)。1980年，加拿大推出450

17、MHz移动电话系统MTS。瑞典等北欧四国开 发出NMT450移动通信网，并投入使用，频段为450MHz。1985年，英国在开发出全地址通信系统(TACS)，首先在伦敦投入使 用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。特点：蜂窝网、小区制的蜂窝概念的新体制，实现了频率再利用，有效地解决了公用移动通信系统要求大容量与频率资源有限的矛盾，大大提高了系统容量。,数字蜂窝阶段 GSM:时期：GSM系统1991年7月开始投入商用。代表:欧洲推出的泛欧数字移动通信网(GSM)体制 特点：频谱利用率高，可大大提高系统容量。,CDMA:时期：IS-95 CDMA系统1995年投入运营。代表:美国高通公司设计特点：

18、频谱利用率更高，系统容量 更大。,手机成为综合信息平台,更加普及,技术融合与网络融合,2010年全球用户达40亿,智能移动电话将是发展方向，移动电话不只是语音通信工具，将成为移动信息收集和处理平台。,移动互联网将成为重要应用，固定电话网和移动网络将融合。,2.移动通信的未来发展,（1）技术演进 移动通信技术在不断演进，过去是这样，今后一段时期还会是这样。3G系统的长期演进（LTE-long term evolution）主要有FDD-LTE和TD-LTE两种。中国移动采用TD-LTE技术已在2010年上海世博会期间启动TD-LTE测试网络服务。目前TD-LTE的下载速度最高可以达到100Mbp

19、s。,（2）4G的国际标准 由于3G之后LTE技术的进步和多个试验网的开通，2010年10月国际电信联盟无线通信（ITU-R）第5研究组国际移动通信工作组（WP5D）第9次会议（会址：中国重庆）确定LTE-Advanced和802.16m为新一代移动通信（4G）的国际标准，其中包含我国提交的TD-LTE-Advanced技术标准。国际电信联盟将于2011年底前完成4G国际标准建议书编制工作，2012年初正式批准发布。4G采用OFDM技术为基础，建议OFDM的子载波之间采用15KHz的子载波带宽，按照不同的子载波数目，可以支持1.4、3、5、10、15和20MHz各种不同的系统带宽。在LTE-A

20、dvanced中，还可通过载波聚合的方式，聚合5个20MHz带宽内的载波单元，实现100MHz的全系统带宽，这时4G有可能达到1Gbit/s的数据速率，并可在高速列车行进时正常通话。,2000年月，我国提出的TD-SCDMA移动通信体制被国际电联确认为第三代移动通信三大国际标准之一。,2002年启动后3G（B3G）技术开发（或称4G），重点攻关无线宽带、高速率、省电的移动通信新体制，争取在下一代移动通信技术方面能走在世界前列。,3.我国移动通信的发展,中国新三大移动通信网络运营商：中国电信集团公司，简称：中国电信集团)，业务范围：CDMA移动通信网+固定电话网+CDMA2000 3G网。中国联

21、合网络通信集团公司（联通与原中国网通合并）简称：中国新联通集团，业务范围：GSM移动通信网+固定电话网+WCDMA 3G网。中国移动通信有限公司（与原中国铁通合并），简称：中国移动通信，业务范围：GSM移动通信网+固定电话网+TD-SCDMA 3G网。（注：中国卫星通信集团公司并入航天产业集团，退出电信运营行业。）,二、蜂窝移动通信系统,1.移动通信系统的工作环境,（1）用户的移动性：移动性引起电平变化，位置变化。（2）移动通信的电波是多径传播：移动台很少会处在电波的直射路径上，而是处在建筑物和障碍物之间、之后，移动台接收的电波往往是多条路径反射的叠加。,（3）移动台运动会产生多普勒频移：移动

22、速度越快频移越大。（4）多用户工作：在一个小区内通常会有数人或者数十人同时通话，会引起用户手机之间的相互干扰。,多径传播是带来移动通信复杂性的主要根源，是对通信影响最大的干扰因素！,3）1800MHz频段,2）800MHz、900MHz频段,1）450MHz频段,4）2000MHz频段,2.移动通信系统的工作频段,5）卫星移动通信业务段,450MHz频段：电视频道之间的一段空隙，原为模拟移动使用。模拟移动仃止运营后，此频段暂时闲置。800MHz、900MHz频段：已分别分配给GSM和CDMA移动通信系统。GSM系统：下行:（基站发、移动台收）935MHz960MHz 上行:（移动台发、基站收）

23、890MHz915MHz CDMA系统：下行：（基站发、移动台收）869MHz894MHz 上行：（移动台发、基站收）824 MHz849MHz1800MHz频段：17101785MHz/18051880MHz和18651800MHz/19451960MHz2000MHz频段：第三代移动通信使用频段。下行：2110MHz2170MHz，23002400MHz 上行：1900MHz1980MHz卫星移动通信业务段:15251530MHz，16101626.5MHz，19802010MHz，21702200MHz，2483.52500MHz，25002520MHz，26702690MHz,3，无线

24、蜂窝结构,移动通信系统,基地台,移动台,移动交接中心,为什么要划分成“蜂窝”呢？,一个蜂窝内放置一个基站，即放置一台收、发信机，工作在某一频道。以当前的技术条件，一个频道内最多可容纳约30个用户。如果采用图（a）所示的大蜂窝，则在这一地区可以有30个用户接入。如果这一地区的人口密度特大，处在车站、机场等人流中心，那么就只有把蜂窝面积划小。每一个小蜂窝内都可以有30个人打电话，10个小蜂窝就可以增加至300人接入容量了，因而就将网络设计成图（b）所示的无线覆盖网络结构了。人口越密，蜂窝越小，微微蜂窝的直径只有几十米。,小区分裂:把一个小区分裂成若干个小区，可以提高系统用户容量。,4.移动通信系统

25、网络结构与功能,GSM数字蜂窝移动通信系统网络结构,基站子系统：负责与手机进行通信。在一个蜂窝覆盖区中由交换机（MSC）控制，基站子系统：含基站控制器（BSC）和基站（BTS）两个功能模块。,网络子系统：完成交换功能、移动性管理、安全性管理等，包括：移动交换机（MSC）、访问位置寄存器VLR、归属位置寄存器HLR、鉴权、用户识别、操作维护子系统等模块。,移动通信要完成用户间的通信比固定通信要复杂得多。主要不同是它必须有两个数据库：访问位置寄存器（VLR）和归属位置寄存器（HLR）。所有处在交换机连接的各小区之内的手机用户，只要接通了电源，都将定时发信号和网络联系，并会将手机参数记录在所在区域的

26、VLR中；网络也会不断发信号告之手机：现在处在何小区、何服务区，及有关参数等。用户识别和鉴权是负责审查用户合法性的功能模块。HLR是属于某一地区的数据库，记录本地区所有开户的手机用户数据，例如在武汉开户的手机用户数据都记录在武汉地区的HLR中。HLR与各地交换机之间通过七号信令网不间断联系、交换数据，各移动台的即时位置均须报告HLR并记录在案。,网络功能：,移动通信是电子信息先进技术的集成！,3G网络：,3G是在GSM网络基础上升级的结果。3G网络和2.5G网络中有两个域：电路交换域和IP交换域。,3G WCDMA的网络结构简图,IP交换域实行包交换，包含两个模块：GPRS服务网关和GPRS支

27、持网关通过GPRS支持网关和IP网连接。可接入专用数字终端（如计算机、IP手机等），开始了移动通信与互联网的融合。IP交换域和电路交换域是彼此独立的。,大功率（几十瓦）基站设备与天线,基站收、发信设备,基站定向天线,基站全向天线,移动通信设备：,B拨出A的手机号码，号码由飞机场移动通信网络基站接收经基站控制器送机场交换机MSC1;MSC1经号码分析确认该号码为武汉用户之后，经七号信令网查询武汉的HLR;HLR告之A在北京的位置（假设属北京MSC2服务区中的Q蜂窝小区），之后，MSC1经信令网通知MSC2，由MSC2经BSC向正在Q小区中的A发起呼叫;A摘机，B、A便建立了一条数据链路，实现通话

28、。,微蜂窝一般采用固态基站，无人置守，太阳能供电，挂在电线杆上。,通信过程实例：,假设武汉某用户A漫游在北京奥运村，北京一移动用户B在飞机场呼叫A，其呼叫过程是如何建立呢?,1.集群移动通信,集群移动通信为大区制移动通信。由调度台、基站、移动台、控制中心组成。特点:只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30公里，发射机功率可高达200瓦。用户数约为几十至几百，最多可达数万。可以是车载台，也可是以手持台。它们可以与基站通信，也可通过基站与其它移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。,三、移动通信的其它类型,2.卫星移动通信,卫星移动通信有多种体制，可采用赤道固定卫星，也可以采用中

29、低轨道的多颗星座卫星转接。卫星移动通信的代表是铱星系统。,铱星系统：是美国摩托罗拉公司提出的完全依靠卫星提供联络的全球个人通信方式，它能突破现有基于地面的蜂窝无线通信的局限，通过太空向任何地区、任何人提供语音、数据、传真及寻呼信息。铱星系统是由66颗由无线链路相连的卫星（外加6颗备用卫星）组成的一个空间网络。设计时原定发射77颗卫星，因铱原子外围有77个电子，故取名为铱卫星通信系统。,铱星系统在技术上获得了非凡的成功，但在市场上它竞争不过地面GSM、CDMA系统。铱星系统投入商业运行不到一年，1999 年 8 月 13 日铱星公司向纽约联邦法院提出了破产保护。半年后的 2000 年 3 月 1

30、8 日，铱星公司正式破产。,铱星手机,铱星成了世界科技史上最了不起的、也是最可惜的科技项目之一,铱星后话：66 颗卫星在天上自己飞了几年，于 2001 年被一家私募基金公司（Private Equity）以两千五百万美元的低价买下，不到铱星整个投资六十亿美元的 1%。作为一个与摩托罗拉无关的私营公司，铱星居然起死回生，据报导2007年已实现近三亿美元的营业额和五千万的利润。,技术成熟不等于市场成熟！,3.无绳电话,无绳电话是对于室内外慢速移动的手持终端的通信，特点是小功率、通信距离近、轻便。它们可以点到点通信，或者与市话用户进行单向或双方向的通信。,4，散射通信与流星余迹通信,军用微波对流层散

31、射通信车,散射通信：利用对流层不均匀对电波产生散射而进行甲、乙两站的通信。优点：保密性好，通信距离远（150KM以上），不怕核辐射。缺点：要求大功率。,流星余迹通信：利用流星使大气产生电离反射电波而进行通信。多工作于短波、超短波波段。常用于军事。,四、智能手机,手机是移动通信技术密集、最活跃的领域，手机是一个大产业，手机是技术进步和市场竞争的焦点。,智能手机=掌上电脑手机,智能手机是推进“三网融合”的重要平台。,智能手机产品,结语 移动通信是成熟最晚，发展最快，最具潜力的一种通信方式。它己成为世界各国人民最重要通信手段。移动通信在通信领域中的突出地位，预计随着电子信息技术的进步还将进一步加强。

32、,4.3 移动通信,卫星通信的定义：利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的技术。,4.4 卫星通信,一、卫星通信概述,卫星通信系统示意图,同步静止卫星配置的几何关系,地面监控管理和跟踪遥测机房,卫星通信的优点,1.卫星通信的优点,2.卫星通信的缺点,卫星通信的缺点,1.卫星通信的发展历史,1946 年,人们就想利用某种天体的电话交换来转播无线电信号,美国科学家提出用月球来充当电话交换器。1957年10月4日,苏联把第一颗人造地球卫星“斯普特尼克-1号”送入了轨道1960年8月12日,美国发射了第一颗通信卫星“回声-1号”。无源通信卫星。1962年7月1

33、0日，美国又发射了具有转发和放大信号功能的民用通信卫星“电星-1号”。低轨道运行卫星 1965 年，美国发射了第一颗第二代通信卫星-“晨鸟号”，开创了同步卫星的新时代。之后若干年，这些国际通信卫星担负着大陆与大陆之间的一半电话和许多电视节目的转播工作。,二、卫星通信发展概况,2.国际卫星通信系统,INTELSAT 系统：INTELSAT(简称IS)是一全球性的商业卫星通信组织，正式成立于1965年11月，总部设在美国的华盛顿。该组织负责全球的商用卫星通信系统空间部分的设计、研究、建造和维护使用。自1965年4月发射第一代国际通信卫星“IS-I”以来已历经8代更新(IS-IIS-VIII)，共发

34、射了40多颗卫星，构成了庞大的国际商业卫星通信系统，承担了大部分国际通信业务和全球性电视广播业务。,国际海事卫星电话（INMARSAT）：海事卫星电话通过国际公用电话网和海事卫星网连通实现。海事卫星网络由海事卫星、海事卫星地球站、船站以及终端设备组成。,3.中国卫星通信发展概况,（1）发展历程：1970年4月24日我国成功地发射了第一颗自行研制的东方红一号人造地球实验卫星。1972年初，在上海虹桥建立了第一个卫星通信地球站，天线直径为10米。之后,发射了东方红二号、东方红二号甲和东方红三号，它们均为地球静止轨道通信卫星。1973年后，在北京、上海等地建立了3个30米天线的标准地球站，并开展了国

35、际卫星通信业务。1975年建成我国自行设计制造的卫星通信地球站。2008年10月30日，我国在西昌卫星发射中心发射了委内瑞拉一号通信卫星，这是我国首次向拉丁美洲用户提供整星出口和在轨交付服务。,四、卫星通信,（2）中国卫星通信的应用：在80年代中期，4颗东二甲同步通信卫星的发射成功与交付使用，以及引进国外卫星通信先进技术建立的单路单载波、国际海事卫星A型站、VSAT（Very Small Aperture Terminal）数据站的生产线，为我国建立了公用卫星通信网和专用网。在公用通信网方面，到1998年为止，已建立了37座大中型卫星通信地球站，开通7万条双向电话线路。在专用卫星通信网方面，近

36、年来人民银行、煤炭、电力、石油、人民日报、海关、民航、新华社、证券交易公司及许多部门和专用公司，建立了约80个低成本VSAT专用卫星通信网，终端约1万多个。在卫星通信技术体制上，我国已研制生产了多种卫星通信体制的设备，并用于各种不同的卫星通信系统中。目前，公用卫星通信网大都应用中速数据率(IDR)和TDMA通信体制，专用通信网和移动通信网正由原有的单一体制向多种混合体制发展。,4.5 三网融合,一、我国三网融合的进程规划,三网是指电信（话）网、广播电视网和互联网的融合。,2010年至2012年重点开展广电和电信业务双向试点，探索形成保障三网融合的政策体系和体制机制。2013年至2015年，总结

37、推广试点经验，全面实现三网融合发展，普及应用融合业务，基本形成适度竞争的网络产业格局，基本建立适应三网融合的体制机制和职责清晰、协调顺畅、决策科学、管理高效的新型监管体系。三网融合是一个发展过程。现阶段三网融合主要表现为技术上趋向一致，网络层上实现互联互通，形成无缝覆盖，业务上互相渗透和交叉，应用上趋向使用统一的协议与技术。在三网融合过程中，探索新的经营管理模式，进行体制机制改革，走中国化的三网融合模式，最终实现三网的有机融合。,二、三网融合的技术基础,1.数字化技术已成熟：语音、数据（汉字）、图像的数字化技术已成熟。图像数据压缩编码技术，大大推动了视频业务普及。多媒体终端、手机电视、网络电视

38、、移动电视（CMMB）的产品众多。IP电话、可视电话、计算机作终端已流行。数字电视正在普及。数字视频技术已在“三网”中成熟应用，这是三网融合必须具备的基本技术条件。,2.有线电视网和互联网高度普及：互联网采用TCPIP协议，有独立IP地址，能实现点对点、点对多点的互动，使得各种以IP为基础的业务能在不同的网上实现互通。移动通信的3G/4G已支持IP交换。通信网与互联的融合已基本实现。有线电视要实现双向互动，只有借助互联网才能实现。技术的发展为有线电网与互联网的融合提出了客观发展需求。,3.光纤到户已成为可能：由于光纤能为用户提供几乎不受限制的带宽，提供足够高的传输速率，保证了视频传输质量，传输

39、成本已大幅下降。,三、三网融合的优势与挑战,1.优势。,（a）方便用户。（b）降低运营成本，价格便宜。（c）促进技术进步和产业发展。首先多媒体终端产业将大发展，包括移动终端和桌面终端，推动移动多媒体广播电视、手机电视、数字电视宽带上网等技术的成熟、进步；促进光纤产业的发展；促进专用成套集成电路芯片的开发和产业化；（d）促进我国电信和广电管理体制改革。,（a）标准的挑战：没有统一的三网融合的国际标准和行业标准可以借鉴；（b）视频挑战：网络融合之后的业务拓展主要在视频，大规模地开放大容量的视频业务，对于现有的网络容量和结构有很大挑战；（c）组播能力的挑战：现有城域网的网络层组播能力参差不齐，难以实

40、现统一组播功能，很多视频直播协议也不支持组播；（d）服务质量的挑战：尤其是大规模开放视频业务。承载网上的服务质量需要在网络可用性、延时、抖动和丢包率四个方面都能满足三网融合业务的要求。,2.挑战,4.6 GPS全球定位系统,二、GPS系统组成,GPS系统由卫星星座、地面控制部分、GPS信号接收机。,1.GPS卫星星座,在用GPS信号导航定位解算时，地面站为了计算三维坐标，必须观测4颗以上的GPS卫星，以获得定位精度。,GPS卫星星座,由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座,24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内(每个轨道面4 颗)，此外,还有4 颗有源备份

41、卫星在轨运行。,卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何座标图形，这就提供了在时间上连续的全球导航能力,2.地面控制部分,地面控制部分：含一个主控站，5 个全球监测站和3 个地面控制站。监测站：装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站：设在范登堡空军基地。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站：在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星

42、每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。,3.GPS信号接收机,主要功能:接收机跟踪、捕获卫星信号后，测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。,美国士兵使用的 GPS定位仪,三、GPS系统的特点与应用,1，特点,2，应用：,GPS系统的应用,授时校频GPS时间系统,导 航,高精度位置参数测量,四、其他卫星定位系统,1.欧洲伽利略全球卫星定位导

43、航系统,伽利略GPS 和美国GPS 的比较,2.俄罗斯的GLONASS系统,3.中国的北斗导航系统,初期覆盖范围:限于中国及周边地区，不能在全球范围提供服务。1994年国家正式批准立项，命名为“北斗卫星定位导航系统”。2000年发射了第一颗导航试验卫星，2003年又发射了两颗导航试验卫星，两卫星定位导航试验系统在地球同步轨道组网成功，完成“北斗”一代工程。,第二代“北斗”：正在建设中，由颗静止轨道卫星和颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为米，授时精度为纳秒，测速精度为米秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测

44、速、授时和通信服务信息。,北斗卫星导航系统与和系统最大的不同：在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方。特别适用于交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。据称“北斗二代”系统 2012年左右，将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球，完成“北斗二号”卫星导航系统的建设。,“北斗”导航手持机,“北斗二号”卫星星座图,4.7 新型通信机量子通信,电子通信是用大量电子在“这儿”表示1，在“那儿”表式0，是用二进制代码1、0 传送信息。“这儿”、“那儿”的含意是指电压（或电流）的两个数值（状态），而1和0称之为比特（bit）。量子通信是用一个量子的“这一”量子态

45、表式1，“那一”量子态表示0。,1.量子纠缠概念,假设一对总自旋为0的粒子对A和B，其中一个向下自旋，另一个就会向上自旋；一个向左，另一个就会向右。假设将这两个粒子分开：A放在地球上，B放在月球上，如果测得地球上的粒子是向上自旋，那么不应测，月球上的粒子肯定是向下自旋。称A和B为EPR量子对。EPR量子对的状态总是纠缠（关联）在一起。对其中一个粒子实行操作，必然会立刻导致另一个粒子状态的改变，而达到传送信息的目的。,利用量子纠缠技术，传输的量子态的这一物理过程就如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”。这一超时空穿越是指一个物体在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。在

46、量子力学中能够以类似于超时空穿越的方式制备两个粒子，在它们之间关联，这一现象利用经典物理学无法解释。,超时空穿越模型,2.量子态的隐形传送 将“某个”粒子的未知量子态传送到另一个地方，并制备到另一个粒子的量子态上，而“某个”粒子仍留在原处。该过程中传送的仅仅是原物（“某个”粒子）的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对传送的量子态一无所知，而接收者是将粒子处于原物的量子态上。由于这一传送方式“隐形”了原物，因而称之为“量子态的隐形传送”。,3.量子通信的优点 量子通信是经典通信论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与目前成熟的通信技术相比，量子通信的巨大优越性是：保密、大容量、远距离传输等。

47、量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要性，而且会极大地促进科学技术的发展。,量子通信理论上是不可被破坏或被拦截的。假如激光束里的量子被第三方观察到，粒子自身瞬间就会改变。如果遭到拦截，发送者和接受者都能立刻觉察到有人在窥探。,量子保密通信模型,4.量子通信的研究进展 我国的量子通信的研究已走在世界前列。此外，美国、欧洲和日本等发达国家也在大力开展研究工作。,我国（北京八达岭至河北怀来）自由空间量子信道,2007年中国科大-清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道。2009年成功实现了世界上最远距离的自由空间量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行

48、性，对促进量子通信技术的发展和成熟具有极其重大的价值。,我国的量子通信已投入小范围试运行，在芜湖已建立“量子政务网”，所使用的核心器材和设备，包括最关键的光电调制芯片，全部为我国自主研发。图4-8-5为WT-1型量子路由器和WT-2型量子交换机。,WT-1型量子路由器和WT-2型量子交换机,量子通信是一种全新概念的通信方式，它不同于以往任何一种通信手段。量子通信技术正在快速发展成熟中，它带来的影响将无可估量！,本章小结,通信技术的发展丰富了电子信息科学与技术，并划分出了“信息与通信工程”研究生学科和多个有关本科专业。本章介绍了该专业领域的主要内容：包括固定电话与电话网、移动通信、卫星通信与GPS定位导航系统等。它们集成了当代最先进的通信理论、电子信息技术，固态微波技术、大规模集成电路、信号处理和计算机技术；它们代表了当代最先进的信息科学技术的发展水平；它们是信息科学技术各学科交叉融合的共同成果；它们的应用十分广泛，与人们的生活密切相关，是近20年来发展最快的科学技术领域之一。电子信息科学技术的发展又推动着通信技术的进步，丰富了学科的内容，智能手机、三网融合、无线宽带接入技术的发展，将使通信系统、工程、技术和产业进入一个新的发展阶段。通信技术的下一次革命将是量子通信。,Thank You!,第四章（完）,