现代通信技术第01章.ppt

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1、1,现代通信技术,南京邮电大学信息网络技术研究所2010年09月,第一章 现代通信和通信网,主要教材和参考书,穆维新 靳婷主编现代通信交换技术人民邮电出版社，2005年1月唐宝民等编著通信网基础机械工业出版社，2009年1月Alberto Leon-Garcia等通信网基本概念与主体结构乐正友等译，清华大学出版社，2003年6月,2,目录,现代通信概况通信网分类通信服务和标准,3,现代通信概况,现代通信通信改变社会和人们的生活方式通信发展简史,4,现代通信,（远程）通信是人们跨越空间进行交流的手段。通信自古有之，从驿站、烽火台到马拉松、信号板，我们听过不少通信的故事；从千里眼、顺风耳到飞毛腿、

2、土行孙，我们也知道不少古人关于通信的憧憬。现代通信是从电报开始的，主要是电信技术，进行的是远距离的信息传输。目前电信技术已经渗透到社会的各个角落。,5,现代通信,现代通信技术和计算机信息技术密不可分，主要表现在两个方面：在通信网的运行、管理和控制中广泛使用计算机技术，整个通信网成为一个分布式计算系统；信息处理中，广泛使用通信手段，完成其应用目标，通信成了信息处理的一部分。本课程主要介绍通信，即信息的空间穿越。,6,通信改变社会和人们的生活方式,通信的发展给社会和人们的生活方式带来革命性的变化。我国固定电话用户数已达三亿多，移动电话用户达八亿多，普及率分别是22.9%和60.5%，互联网用户已达

3、一亿一千万户（10.06）。通信已经渗透到各行各业和人们生活的各个角落，没有体会到通信对人类生活方式的改变吗？试想，没有互联网、没有手机、也没有电话，您的生活会怎样。,7,通信改变人们的生活方式,8,通信网和应用,投资理财,旅游订票,网上购物,交友聊天,游戏娱乐,通信促进各行业的发展,9,通信网和应用,工业自动化,电子政务,医疗卫生,智能家居,智慧农业,通信改变社会和人们的生活方式,通信的发展也给政府和商家的日常活动带来便利和机会。在政府政务方面，目前，税务、交管、公安、工商等部门都提供了网上发布信息和办理各种手续的手段，大大方便和群众的交互。网络的出现除了给工商业原有的活动带来便利以外，更是

4、创造了大量的商机和新的运营模式。网上商店，电子商务，网上交易等的出现创造了更多的就业机会和方式，促进了经济的发展和人民生活水平的提高。,10,通信改变社会和人们的生活方式,社会需求推动了通信的迅速发展，反过来，通信的发展也促进了社会的宏观发展，典型的例子是克林顿时期的美国“信息高速公路”计划。其概念是1992年2月美国总统发表的国情咨文中提出的，即计划用20年时间，耗资20004000亿美元，以建设美国国家信息基础结构（NII），作为美国发展政策的重点和产业发展的基础，倡议者认为，它将永远改变人们的生活、工作和相互沟通的方式，产生比工业革命更为深刻的影响。,11,通信改变社会和人们的生活方式,

5、当时预计，到2007年即美国建成信息高速公路之际，国民生产总值将因信息高速公路建成而增加3210亿美元；实现家庭办公等将减少铁路公路和航运的工作量的40%，也相应减少能源消耗和减少能源消耗和污染；光是汽车的废气排放量每年减少1800万吨，通过远距教学和医疗诊断，节省大量时间和资金；劳动生产率将提高20%40%。,12,13,GDP增3210亿,污染减排1800万吨/年,地面和空中运输降低40%,信息高速公路,劳动生产率提高20%40%,现在未见到这种效果的具体统计数据，但自提出NII以后，确实给美国带来近十年的持续发展和繁荣。,通信改变社会和人们的生活方式,信息高速公路的发展主要依赖通信网技术

6、、多媒体技术和计算机技术，其中通信网中的关键技术包括：光通信技术；移动通信和卫星通信技术；宽带接入技术；Internet技术。从某种意义上来说，覆盖全球的通信网是人类迄今为止建立的最大人工系统。,14,通信改变社会和人们的生活方式,在改变社会和人们生活方式的同时，也给人们带来很大的困扰，例如：上网和游戏成瘾；包括诈骗在内的网络犯罪日益猖獗；企业对信息系统依赖造成的问题；非法信息传播的控制问题；个人信息和公司机密的泄露。如何趋利避害，既是国家法律和社会道德要解决的问题，也是通信和信息处理领域技术要解决的问题。,15,通信发展简史,在通信发展的历史上，有些里程碑式的事件，如：电报的发明，出现现代意

7、义上的电信技术；电话的发明，造就了延续百年和遍及全球的电信业务；电报网和电话网的建立，是电信业务的普及和发展的必要条件；机电制自动交换机，自动化控制的开始；PCM系统，通信走向数字化；程控交换，计算机技术的引入；Internet的出现，多种服务、广泛应用和普及。,16,通信发展简史电报的发明和发展,电报是第一种现代电信技术和电信业务，一般认为电报的发明人是美国画家莫尔斯，其实在他是受英国人库克发明的启发而发明电报的，并发明了莫尔斯电码，一直用到20世纪中期。,17,通信发展简史电报的发明和发展,莫尔斯电报的发明时间是1837年，1850年便出现第一条横跨英吉利海峡的电报电缆，1866年跨大西洋

8、电缆成功敷设。19世纪70年代又发明电传打字机，连同后来的纸带穿孔机和读带机等自动化设备，大大提高了电报传送的效率（Baudot、中文电码）。由于计算机网络的发展，电报逐渐淡出人们的视野，很多国家已经终止了这项服务，即使提供电报服务的国家，也多是采用计算机通信手段进行的。,18,通信发展简史电报的发明和发展,19,通信发展简史电话的发明,如果说电报已经离我们远去，电话则依然活跃在我们的生活中。一般认为，电话的发明者是美国人贝尔，发明时间是1876年。,20,通信发展简史电话网的发展,电话发明的3年以后，电话交换机发明，电话进入商用。1891年自动电话交换机发明，虽然人工交换被广泛应用到20世纪

9、中期，但自动交换机的发明将电话的发展推向高潮。到20世纪60年代，公众交换电话网已经成为覆盖全球的的通信网络，经历了磁石交换、机电交换、电子空分交换、程控交换、数字交换等等阶段。电话网的传输手段也经历了由基带传输到载波，由模拟到数字，由电路方式到分组方式的革命性发展。,21,通信发展简史电话网的发展,传输媒介从架空线发展到对称线对电缆、同轴电缆、无线（包括微波和卫星通信）、光纤。电话网的控制手段也由直流信令发展到音频模拟信令、数字随路信令、数字共路信令。由于广泛的存在，电话网曾经是各种业务网络的基础，电报网、分组交换网等最初都是利用电话网的传输功能建立覆盖网络实现的；在电话网的基础上，也实现了

10、数据传输、传真等二次复用业务，有些覆盖网和二次复用业务至今仍然在使用。,22,通信发展简史多种业务的涌现,一直到20世纪70年代，电信网承载的主要还是电话业务，虽然有电报、传真业务的存在，但都以依托电话网建立的，或是作为叠加网提供独立业务，或是作为电话网提供的附加业务。多媒体通信的需求和计算机的出现使得这种局面发生了变化。ISDN概念的提出，为通信网和通信业务的分离建立了基础。计算机网中，大量功能由终端来实现，为通信应用的灵活性创造了条件，网络的简化是一柄双刃剑，很多问题也由此而生。,23,目录,现代通信概况通信网分类通信服务和标准,24,通信网分类,通信网的分类方式按业务的分类按范围的分类按

11、功能的分类,25,通信网的分类方式,如前所述，电信网已经成为覆盖全球的最大人工系统。随着社会需求和技术的发展，各种通信技术不断涌现，通信网也变得越来越复杂。在此形势下，在进行教学和总体考虑时，如何给如此众多的技术和网络分类，一直是众说纷纭。从不同的角度考虑，通信网可以有不同的分类方式。我们可以按照传统的分类方式，按提供的业务对通信网进行分类，也可以按覆盖地域对其分类，还可以按功能对网络进行分段分类。,26,通信网的分类方式,说到通信网的分类，我们不得不先讨论一下通信网提供的服务（Service），建立通信网的目的是提供通信服务，在电信行业，传统上将电信服务称作电信业务。过去网络业务比较单一，整

12、个网络基本是按电话业务的需求而建立的，直到Internet普及以前，电话网一直作为骨干网络存在。在这种情况下，不同的的服务（业务）一般是建立不同网络（有时是叠加的网络）来实现的，例如，电报网、X.25网、DDN网等等。,27,通信网的分类方式,因此传统上，常常用承载的业务来对网络进行分类，例如，电话网、电报网、数据网、计算机网、有线电视网等等。从ISDN开始，服务（网络提供给应用的功能）和网络分离的概念开始提出。以Internet为代表的计算机网虽然也能提供各种功能，但同传统网络相比，那是以功能强大的基于计算机终端为基础提供的功能。综合业务的网络当然不能再用承载的业务来分类，于是需要其他的分类

13、方式。,28,通信网的分类方式,另一种网络分类方式是按照在业务提供中实现的功能来分类，例如，传输网、交换网、接入网、信令网、同步网、管理网等。还可以用网络覆盖的范围来分类网络，例如：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个域网（PAN）。网络所采用的技术也可以成为网络分类的方式，按这种方式，可以有模拟网、数字网、电路交换网、分组交换网。参考书的讲述是采用组合几种分类的方式作为线索的。,29,按业务的分类,电话网是历史上最重要的网络，顾名思义它承载的是电话业务。在电话网中，电话网加上终端（电话机），构成完整通信应用。模拟电话网中，交换的是大约4kHz带宽的模拟音频信号，数字化以后

14、，交换的是64kbit/s的数字音频信号。后来的ISDN受数字电话网的影响很大，主要提供64kbit/s或nx64kbit/s的交换能力，不同的是它向用户提供的是数字方式的接口。,30,按业务的分类,电报业务一般有两种方式提供，一种是莫尔斯电码方式，另一种是博多电码方式，后期的电报网采用后一种方式。电报网提供的实际是低速数字信号的传输和交换，如果按照现在的计算方式，电报网提供的是100bit/s以下的传输和交换能力。电报网的传输通过电报载波在电话传输信道中复用实现，交换则用转发的方式实现。现在电报网已经不复存在，电报业务一般是用文本传送的方式在数据网或计算机网上实现。,31,按业务的分类,近期

15、业界对“三网融合”谈论很多，所谓“三网”是指电信网、计算机网和有线电视网。这实际上也是按照承载的业务来分类网络的。典型的计算机网是Internet，发展到现在，它正在逐渐取代电话网成为承载各种业务的骨干网络。计算机网还有很多其他技术形式，但由于各种原因，都没有形成气候，例如，DECNet、ATM等。虽然Internet得到迅速发展，但同传统的电信网相比，它还是有很多问题和不足。Internet提供的是“尽力而为（Best Effort）”的服务。,32,按业务的分类,和传统电信网相比，这种尽力而为的服务至少有以下问题：传输的可靠性得不到保证；对于某些应用（例如实时语音通信）的性能得不到保证和控

16、制；网络的安全性得不到保证。由于这些原因，Internet很难提供高质量的通信。为了满足各种业务的需要，人们研究了很多技术来对Internet进行补救，例如带宽预留技术、P2P技术等。研究全新网络也是人们努力方向之一。,33,按业务的分类,移动通信网最初是从电话网发展起来的，随着通信的发展，和电话网一样，逐步演变为以分组交换为基础的数字网络，承载电话和Internet接入的功能。和一般的电话或数据业务相比，移动通信网提供了一些特殊的功能，除了无线接入以外，主要是保证用户终端的移动性。用户终端在移动的过程中，需要转换与之通信的基站，移动通信系统要保证在基站转换的情况下不中断通信。,34,按业务的

17、分类,智能网（IN）是建立在数字电话网上的覆盖网，提供的是所谓的智能业务（如VPN、800、300等），可以看做是对电话业务的扩充应用。随着网络技术的发展，智能网提供的业务逐渐被NGN的应用代替，业务提交平台（SDP）取代了智能网的地位，整个网络越来越像一个分布式计算系统。SOA、Open API等概念的出现使得网络功能的灵活性大大增加，人们可以根据自己的需要配置网络上的功能，完成自己所需的应用。,35,按业务的分类,有线电视网也是一种通信网，它承担的服务是有线电视的传播。由于有线电视服务主要是单向的广播服务，所以，它的骨干网络相对比较简单，主要投资在于用户接入方面。现在的有线电视入户一般采用

18、HFC方式，有极高的带宽，为提供交互电视服务，也为提供其他服务（如Internet接入服务）创造了条件。反过来，Internet也可以提供电视服务，所以，网络的这种分类开始变得模糊起来。,36,按业务的分类,从ISDN开始，提出综合业务网络的概念，按业务建网的方式逐渐退出人们的视野。克林顿政府曾经提出过美国国家信息基础结构的思想，建立统一的全国的基础网络。当前这个网络是IP网，以此为基础，促进国家的信息化。国际上曾经也提出GII，现在基础结构的主要发展方向是NGN（ITU-T SG13），核心技术是IPV6。在统一的基础结构下，人们可以构造各种应用，实现各种网络服务。因此，按业务分类网络的概念

19、今后也许会淡出课堂的讲台。,37,按区域的分类,按区域分类的方式过去主要用于计算机网，由于骨干网正在从电话网转向IP网，所以这种分类也就有了普遍意义。广域网（WAN）是指覆盖城市、国家间的网络，当前的IP网主要是用SDH作为传输手段，骨干路由和交换设备作为交换手段的网络。地域分类有时不是绝对的，例如，在我们的ADSL Modem上，将通往电信运营商的方向称为广域网。,38,按区域的分类,城域网（MAN）是指本地的计算机网，由于有密集的接入点和交换/路由点的存在，采用的技术也相对复杂一些，FDDI、ATM等底层技术在城域网中也有较多的应用。局域网（LAN）基本上是室内的网络，有时也用于园区（校园

20、网），局域网的底层技术主要是以太网（Ethernet）及其变种技术，近年来，无线局域网（WLAN）发展迅速。和一般公众无线通信不同，无线局域网采用的是ISM频段，是开放的频段，可以不经申请使用。,39,按区域的分类,当前流行局域网和无线局域网主要标准制订者是IEEE，局域网标准包括802.3（以太网）系列和802.11（无线局域网）系列。无线局局域网技术后来也发展成城域网（IEEE 802.16，WiMax），甚至成为第四种3G移动通信标准（2007年）。局域网体系近年来也有较大的发展，以G.hn为代表的技术和标准方面的努力将大大提高局域网通信速率和接入的能力。08年开始，G.hn被ITU-T

21、接纳为G.9000系列标准。,40,按区域的分类,个域网（PAN）是指范围比局域网更小的网络，当前主要发展的是无线个域网（WPAN）。个域网是当前非常活跃的网络发展领域，特别是今年奥巴马政府倡导智慧地球以后，物联网（Internet of Things）受到社会各界普遍的重视。如果把世界比做人体，把通信网比作血管网，那么，个域网就是人体的毛细血管。人体毛细血管占血管的总长度90%以上，个域网同样如此。据估计物联网的最终总投资将是Internet的几十倍，其中大部分将是末梢部分。,41,42,按功能的分类,这里的功能是指网络在通信中起的作用，严格来说，应当是按功能的分段。为了完成通信，至少要有以

22、下组成部分：用户终端，通信双方直接与之交互的设备；接入功能，将终端接入网络；交换功能，实现通信的控制，完成通信接续；传输功能，完成信息的跨地理范围的传输；管理和运营功能，实现运营和网络的管理。除了终端以外，习惯上，人们常常把完成这些功能的网络组成部分也称作是“xx网”。,43,44,传输网,交换网,接入网,接入网,接入网,接入网,支撑网,按功能的分类,传输网完成通信信号的传输功能，是通信网的基础功能，传输网是通信网中最早实现数字化的部分，也是最早被不同业务共用的部分。传输网使用各种媒介，完成通信信号的传输，不同接续的通信信号要共用传输媒介，为了更好地利用媒介的传输能力，需要对媒介进行复用。传输

23、网使用的传输媒介包括：架空明线、对称电缆、同轴电缆、微波（包括卫星通信）、光纤等。当前骨干网络主要使用光纤作为传输媒介，其传输速率可达数十Gbit/s，不久的未来可达数百Gbit/s。,45,按功能的分类,传输网使用各种不同的复用技术对传输媒介进行复用，使不同连接的信息可以共用传输媒介，复用技术包括频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）。当前光纤网采用的时分和波分结合的方式（DWDM可以看做是频分复用）。在复用信号的组织方面，过去采用频分组群方式、PDH方式，当前主要采用SDH或SONET方式，但FDDI、ATM也有应用。无论是频分组群还是PDH也都有两种制式，一种主要用于

24、欧洲（中国），另一种主要用于美国、日本。,46,按功能的分类,传统意义上的交换网完成承载业务的控制和交换，因此，有电话交换网、电报交换网、数字数据交换网的区别。交换网主要完成信息的转接和承载业务的呼叫控制功能，早期的交换网中，这些功能是集中在交换机中完成的。随着通信技术的发展，通信网中传输信息的转接和承载业务（服务）的控制逐步分离。核心网中的交换完成信息从源点到端点的交换和传输任务，各种业务网关则完成业务的接续和控制任务。,47,按功能的分类,最早实现自动交换的网络是电话网，从19世纪后期电话网运营后不久，就出现了自动电话交换机。电话交换网完成如下功能：被叫的寻址；呼叫的建立和拆除；用户电路的

25、转接。这样，在电话交换网上，有两类信息需要传输和交换，一是寻址和呼叫控制信息，二是用户通信的信息，前者常常被称为“信令”（signaling）。,48,按功能的分类,电话的信令发展经历了以下几个阶段：直流信令（至今的摘机、挂机信号依然在用）；随路信令（音频、模拟、数字随路信令）；数字共路信令（七号信令、一号用户信令）。电路转接和交换控制技术经历以下几个阶段：机电制分散控制交换机（旋转式、步进制）、机电制集中控制交换机（纵横制）；电子控制模拟空分交换机；程序控制时分-空分数字交换机；ATM、软交换体系结构。,49,按功能的分类,计算机通信的迅速发展催生了数据交换技术，数据交换的主要技术是分组交换

26、技术，是相对电路交换技术而来的。数据交换发展的初期，不同交换方式并存，例如：X.25数据交换网；DDN（数字数据网）网、帧中继网；ATM网等。尽管有诸多问题，由于商业上的成功Internet成了占支配地位的数据通信网，不仅如此，IP技术还成为承载各种媒介的通信网络（VoIP，IPTV）。,50,按功能的分类,Internet的基本协议是IP协议，其交换方式是无连接的分组交换，以IP包为单位进行交换。无连接的分组交换不需要在网络中保持连接信息，大大简化了网络结构。由于不需要建立连接，所以，通信建立迅速，通信中的分组可以根据情况寻找不同的路由，不会因为某些链路的故障造成通信的中断。在IP之上有TC

27、P协议来适应需要建立连接进行通信的一些应用。但由于Internet本身的特点，通信质量的保证变得十分复杂。,51,按功能的分类,接入网完成用户终端接入功能，常常也是用户自有通信网接入的广域网手段，最初的移动通信基站也是作为电话的接入手段设计的。接入网采用的技术很多，从双绞线、同轴电缆HFC一直到光纤都是接入网使用过的物理媒介。上层曾经有音频-直流接入、载波复用接入、数字复用接入等语音通信的接入方式。语音接入还发展了V5方式的接入网接口，使得用户可以从标准的电话远端模块接入。,52,按功能的分类,对于Internet的接入，有xDSL（HDSL、ADSL等）方式接入、光纤接入（EPON、GPON

28、等）。其中EPON是IEEE发起制定的，是基于以太网技术的无源光纤网；GPON则是ITU-T参与制定的，是基于ATM技术的无源光纤网。最近又有发展。由于光纤具有传输能力强，通信质量好的优越性，接入网正在向着以光纤到路边（FTTC）、光纤到楼（FTTB）、光纤到户（FTTH）的方向发展。三网融合业务必须有极高的入户带宽才能得到发展和使用，光纤的普及将起到很大的推动作用。,53,按功能的分类,除了传输、交换、接入等这些基本功能以外，完成通信也需要一些辅助功能，传统上，把完成这些辅助功能的互联实体称为支撑网。经常讨论的支撑网包括：管理网，对整个电信网的运营和商务进行管理，现在常称为OSS/BSS；同

29、步网，为实现全网时钟同步而建立的时钟传输机制；信令网，专门用于传送信令（呼叫和接续控制）信号的网络，现在多是用IP网完成信令传输。,54,目录,现代通信概况通信网分类通信服务和标准,55,通信服务和标准,通信网提供的服务通信协议和标准,56,通信网提供的服务,人们建立通信网的目的是完成通信功能，换句话说，通信网提供的是通信服务（通信业务）。最初的通信双方是都是人，发展到现在，可以在人和人之间建立通信，也可以在人和计算机、计算机和计算机之间建立通信。最近为大家津津乐道的物联网则是建立人与物，计算机与物、物与物之间的通信。传统的通信网主要是完成信息传送的功能，因为当时信息通信的应用相对比较简单，应

30、用功能和传输功能的分解也不是十分明确。,57,通信网提供的服务,随着计算机的发展，很多应用功能都在网上实现，网络的传输功能和应用功能结合，网络的功能大大扩展。通信网中，所有向用户提供的功能都叫做业务（服务），对这些服务的分类也很多，在ISDN规范中将服务分为三类，一类叫终端业务，一类叫承载业务，还有一类补充业务是不能单独提供的。电信企业常常把通信网提供的基本功能称为基本业务（如IP接入、电话），在此之上提供的附加业务称为增值业务（如QQ、虚拟电话网）。,58,通信协议和标准,通信网能够提供的业务越来越丰富也越来越复杂，各种业务之间的关联也变得错综复杂。所有这些业务都需要有各种网络功能的支持，如

31、何描述业务和网络功能，是我们需要解决的问题。与此同时，通信是通信双方（或多方）参与的活动，在进行通信时，双方必须有所约定，承担通信任务的网络也必须将这种约定体现在同过程中，这就需要一定的规范，在通信术语中，这种规范叫做“协议”（或规程，Protocol）。,59,通信协议和标准,可以把通信协议看做是参与通信活动的各方需要遵循的标准，除了通信协议以外，通信网中还需要很多软件或硬件的标准。最初的通信功能比较简单，通信标准和协议也相对简单，有时约定俗成就足够了，例如传统的电话，没有成文的国际标准说明其接入。标准发展到后来变得越来越复杂，而且，由于技术的发展，不断有新的标准出现，不适应技术发展和市场、

32、社会需求的标准要么被淘汰，要么被弃用。,60,通信协议和标准,虽然通信技术发展迅速，但通信网是沿着一定的路线在技术上进行演进的，因为通信网是覆盖全球的人工系统，使用的人群遍及社会的各个阶层，需要有好的稳定性。为了做到技术发展和网络稳定的统一，现代通信标准往往是受一定体系的指导。在体系的指导下，兼容各种技术，保证网络的稳定。通信中比较重要的体系包括：ISDN、TMN、OSI、NGN（GII）、IMT2000。,61,通信协议和标准,通信标准体系往往首先建立一种框架，对要规范的对象进行抽象描述，然后在框架的指导下进行具体标准的制定。以ISDN为例，在网络结构方面，提出功能组和参考点的概念，功能组相

33、当于抽象的设备，参考点相当于抽象的接口。在此基础上，描述功能组的具体功能和参考点的具体接口协议。往往同一个功能组可以用不同的技术方式实现，同一个参考点也可以是不同的具体接口协议。,62,63,ISDN用户-网络接口的参考结构,通信协议和标准,由于技术的发展，无论ISDN还是TMN，它们的具体标准应用得很少，但它们的体系却为后续的系统和标准奠定了方法和框架的基础。一种技术能不能在通信网中得到广泛的应用，除了标准的因素以外，还有市场因素、政策因素和技术本身的因素。技术因素往往不是决定性因素，IP和ATM之争就是很好的例子。在描述通信功能和通信协议时，OSI体系至今仍然起着重要的作用。,64,思考题,你对学习这门课程的期望是什么？根据你的常识直观地思考一下，电话通信是如何实现的？要实现国际长途电话业务需要解决什么问题？举出身边的例子，说明通信改变人们的生活。,65,66,谢谢！,