西安邮电大学通信系统概论复习.ppt

21世纪 计算机和通信技术在飞速发展 它们的结合具有划时代的意义 以计算机为代表的IT产业和以语音 数据通信为代表的CT产业 融合为了ICT InformationandCommunicationTechnology 产业 通信 将内容转换成文字 声音 标识 通过某种装置变成电磁信号 通过光纤 铜线 无线等传送方式 信道 从地球的某个角落传送到另一角落 第一章基本概念 1 1通信系统与通信网 图1 1 1基本的点对点通信的一般模型 点到点通信系统 信源 负责产生信息 信源可以是人或机器 发送设备 把信源发出的信息变换成适合信道中传输的信号 信道 信号传输媒介的总称 分有线信道 无线信道 接收设备 将经过信道传输的信号 混杂噪声和干扰 还原为接收者可以接收的信息 信宿 信息的最终接收者 噪声源 是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示 分加性噪声 乘性噪声 通信的传输方式 按消息传送的方向与时间 通信方式可分为单工通信 半双工通信及全双工通信三种 单工通信是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式 单工通信的例子很多 如广播 遥控 无线寻呼等 这里 信号 消息 只从广播发射台 遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机 遥控对象和BP机上 单工方式传输是只能单方向传输的通信方式 通信的传输方式 半双工通信方式 是指通信双方都能收发消息 但不能同时进行收和发的工作方式 半双工方式是通信双方可以收发消息 但不能同时收和发的工作方式 通信的传输方式 所谓全双工通信 是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式 在这种方式下 双方都可同时进行收发消息 很明显 全双工通信的信道必须是双向信道 生活中全双工通信的例子非常多 如普通电话 手机等 全双工是通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式 通信的传输方式 模拟信号与数字信号 信号 信号是信息的表达形式 在现代通信系统中 信号大部分是电信号或光信号 模拟信号 承载信息的参量在时间上连续 在取值上也连续 数字信号 承载信息的参量在时间上离散 且取值为有限多个 按照传输方式介质分为有线介质 双绞线 同轴电缆 光纤 和无线介质 无线电 微波 红外线 传输介质 西安邮电学院通信工程系 通信网的定义和构成 定义 通信网是由一定数量的节点和连接这些节点的传输系统有机地结合在一起 按约定信令和协议完成任意用户间信息交换的通信体系 构成要素软件设施 信令 协议 控制 管理 计费硬件设施 终端节点交换节点业务节点传输系统 西安邮电学院通信工程系 通信网的功能结构 从功能的角度看 一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分 业务网 传送网 支撑网 西安邮电学院通信工程系 负责向用户提供各种通信业务 采用不同交换技术的交换节点 业务节点等设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网 如基本话音 数据 多媒体 租用线 VPN等 业务网 西安邮电学院通信工程系 负责按需为交换节点 业务节点之间的互连分配电路 在这些节点之间提供信息的透明传输通道 构成传送网的主要技术要素有 传输介质 复用体制 传送网节点技术等 主要的传送网有PDH SDH SONET和光传送网 OTN 传送网 西安邮电学院通信工程系 负责提供业务网正常运行所必须的信令 同步 网络管理 业务管理 运行管理等功能 包括 信令网实现节点间的信令的的传输和转接同步网实现设备间的信号时钟同步管理网提高全网服务质量 充分利用全网资源 支撑网 不难看出 I与之间遵从如下关系 如果取对数的底为2 则信息量的单位为比特 bit 二进制等概率数字信号中 每个码元所含信息量为 用二进制代码 即一个 0 或 1 传送两个等概率消息中的任何一个 最少需要1个二进制代码 每一个二进制代码所包含的信息量定义为1比特 1 2信息和信息量 码元 携带信息的数字单元称作码元 它是指在数字信道中传送数字信号的一个波形符号 它可能是二进制的 也可能是多进制的 比特 是信息的度量单位 一位二进制数所携带的信息量即为一比特 bit 缩写为b 例如 10010110 八位二进制数字 所携带的信息量为8比特 1 2信息和信息量 1 2 2二进制与多进制 例求下图1 2 1所示分别为二进制和四进制码元序列的信息量 1 2信息和信息量 图1 2 1二进制和四进制码元序列 对于图1 2 1 a 所示的二进制码元序列 只有两个计数符号 0和1出现的概率相等 P 0 P 1 1 2 则任何一个0或1码元的信息量为 I log21 P 0 log21 P 1 log22 1 bit 1 2信息和信息量 对于图1 2 1 b 所示的四进制码元序列 其有四个计数符号0 1 2 3 且出现概率均为1 4 P 0 P 1 P 2 P 3 1 4 则四进制一个码元的信息量为 1 2信息和信息量 I log21 P log24 2 bit 1 2 3信道容量模拟信道的信道容量可以根据香农公式计算 香农 Shannon 公式指出 在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中 信道的极限信息传输速率 信道容量 C为S N为平均信号 噪声功率比 噪声为正态分布的加性白噪声 B为信道带宽 C为信道容量 1 2信息和信息量 通信系统的主要性能指标包括有效性 可靠性 适应性 经济性 保密性 标准性 维护性等 其中最主要的性能指标是有效性与可靠性 有效性指标用于衡量系统的传输效率 可靠性指标用于衡量系统的传输质量 有效性与可靠性的关系 一对矛盾 有效性越高 可靠性越差 可靠性越高 有效性越差 数字系统的主要的性能指标有 传输速率 频带利用率 差错率等 1 3通信系统的主要性能指标 1 传输速率 数字系统的有效性指标传输速率是指在单位时间内通过信道的平均信息量 一般有 码元传输速率信息传输速率 1 3通信系统的主要性能指标 1 码元传输速率码元传输速率指数字通信系统单位时间 每秒 内传输的码元 符号 个数 其单位为波特 Baud 常用符号 B 表示 码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目 而没有限定码元是何种进制 即码元可以是多进制的 也可以是二进制的 码元传输速率为是码元宽度 单位为波特 1 3通信系统的主要性能指标 例1 系统2s内共传送4800个码元 则系统码元传输速率为多少 码元传输速率是二进制传码率 是N进制传码率 1 3通信系统的主要性能指标 2 信息传输速率信息传输速率简称传信率 又称信息速率或比特率 它表示单位时间 每秒 内传送信息的数量 单位为bit s 可记为 b s 或 bps 其中 N为符号的进制数 传输二进制信息时 信息传输速率和码元传输速率是一致的 记为 例2 某信源1s内传递1200个符号 且每个符号的信息量为1bit 则该信源的传信率 1 3通信系统的主要性能指标 例3 已知二进制系统在2min内共传递了7200个码元 求 码元速率和信息速率各为多少 如果码元宽度不变 即码元速率不变 但改为八进制数字信号 则码元速率为多少 信息速率为多少 解 若改为八进制系统 则此例说明 系统不变 对不同进制信号传输的信息量不一样 1 3通信系统的主要性能指标 2 频带利用率在比较不同通信系统的效率时 单看它们的传输速率是不够的 还应看在这样的传输速率下所占的频带宽度 通信系统占用的频带越宽 传输信息的能力越大 所以 真正用来衡量数字通信系统传输效率 有效性 的指标应当是单位频带内的传输速率 即 或其中 是码元传输速率 是信息传输速率 1 3通信系统的主要性能指标 3 误码率与误比特率数字传输系统的可靠性指标是平均误码率 它是衡量数字通信系统在正常工作情况下可靠性的主要指标 误码率定义为 接收端收到的码元中发生错误的码元个数 ne 与发送端已发送的总码元个数 n 之比 误码率一般记为Pe 即 1 3通信系统的主要性能指标 例4 已知八进制数字通信系统的信息速率为12kbit s 在接收端30min内共测得出现216个错误码元 试求系统的误码率 解 根据公式 1 3通信系统的主要性能指标 误比特率 用Pb表示 即 1 3通信系统的主要性能指标 例5 误比特率的计算设一个四进制系统传输了1000个码元 其中一个码元传输错误 由 01 错为 00 计算误码率及误比特率 29 数字通信系统模型如图2 1所示 图2 1数字通信系统模型 2 1数字通信系统概述 2 1数字通信系统概述 信源 完成非电信号 电信号的变换 这里产生的电信号是模拟信号 信源编码器 一是将信源发出的模拟信号变换为数字信号 称为数字信源码 模数变换 二是实现压缩编码 使数字信源码占用的信道带宽尽量小 信道编码器 主要完成两个功能 一是码型变换 把数字信源码变换为数字信道码 二是差错控制 调制器 其作用是频谱搬移 将信号的频谱搬移到所希望的位置上 从而将调制信号转换成适合于信道传输的已调信号 信道 信号的传输媒质 一般可分为 有线信道和无线信道恒参信道和随参信道 2 1数字通信系统概述 解调器 信道译码器和信源译码器 基本功能是完成发端的反变换 它们的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息 2 1数字通信系统概述 2 2模拟信号数字化 图2 2模拟信号的数字传输系统模型 A D D A 2 2模拟信号数字化 图2 3A D和D A变换 2 2 1A D变换 实现A D变换的方法很多 这里主要介绍应用最普遍的脉冲编码调制 PCM 抽样 时间域数字化量化 幅度域数字化编码 将量化后的信号电平转换成二进制码组 2 2模拟信号数字化 1 抽样 语音信号是模拟信号 它不仅在幅度取值上是连续的 而且在时间轴上也是连续的 要使语音信号数字化并实现时分多路复用 首先要在时间上对语音信号进行离散化处理 这一过程叫抽样 抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号 2 2模拟信号数字化 1 抽样 抽样实现 每隔一定的时间间隔Ts 抽取语音信号的一个瞬时幅度值 抽样值 来代替原来的连续信号进行传输 抽样后所得的一系列在时间上离散的抽样值称为样值序列 2 2模拟信号数字化 图2 4抽样后的波形 时间离散化 Ts如何选取 保证信号的不失真 抽样定理 对于低通型 0 fm 信号 只要抽样频率fs fs 1 Ts 满足 则可以从样值序列不失真地恢复出原来的模拟信号 其中fm为信号的最高频率 2 2模拟信号数字化 2 量化 样值序列在时间上是离散的 但它的幅度取值在信号幅度的变化范围内 通常称动态范围 可以取任意值 因此 幅度的取值仍是连续的 有无限多个取值 所谓量化 就是将幅度取值为无穷多个的样值序列 变换为幅度取值为有限个的样值序列 幅度离散化 2 2模拟信号数字化 2 量化 实现量化的方法 把信号变化的动态范围划分为有限个区间 只要信号落在某个区间 就取该区间内预先规定的某个参考电平 比如量化区间的中间值 作为信号值 量化区间在专业术语上称为量化级 量化级中间的电平称为量化电平 2 2模拟信号数字化 2 2 2PCM通信系统方框图模拟信号经过抽样 量化 编码完成A D变换 这样的系统称为PCM 脉冲编码调制 系统 2 2模拟信号数字化 图2 11PCM原理图 2 3 1时分复用 TDM 的概念时分复用 TDM 抽样后的样值序列在时间上离散 即两个样点信号在时间上有间隔 可以利用这一时间间隔传送其他语音信号的样点信号 这就称为 时分复用 对于语音信号而言 两相邻样值之间的时间间隔是125 s 1 8KHz 称为 一帧 2 3时分复用技术 2 4差错控制编码 信息编码 信源编码 在分析信源统计特性的基础上 设法通过信源的压缩编码去掉这些统计多余成分 去除冗余 提高有效性 信道编码 目的是为了改善数字通信系统的传输质量 就是构造出以最小多余度代价换取最大抗干扰性能的 好码 添加冗余 提高可靠性 2 4差错控制编码 2 4 1信道分类按照加性干扰引起的错码分布规律的不同 信道分为以下三类 随机信道突发信道混合信道 2 4 2差错控制方式常用的差错控制方式主要有三种 检错重发法前向纠错法混合纠错法 2 4差错控制编码 2 4 2差错控制方式1 检错重发法 ARQ 发送端经编码后发出能够发现错误的码 接收端按一定规则对收到的码组进行有无错误的判别 若发现有错 则通知发送端重发 直到正确接收为止 2 4差错控制编码 ARQ示意图特点 具备双向信道 时延大 2 4差错控制编码 2 前向纠错法 FEC 发端经编码后发出能够纠正错误的码 接收端收到码组后 通过译码自动发现并纠正传输中的错误 FEC示意图 2 4差错控制编码 特点不需要反馈信道 特别适合只能提供单向信道的场合 自动纠错 不要求检错重发 延时小 实时性好 编 译码设备复杂 传输效率低 2 4差错控制编码 3 混合纠错法是前向纠错方式和检错重发方式的结合 在这种系统中发送端不但有纠正错误的能力 而且对超出纠错能力的错误有检测能力 在纠错能力内 则纠错 超出纠错能力 但能检测错误 则通过反馈信道要求发端重发一遍 2 4差错控制编码 3 码距与检纠错能力的关系在一个码组中 为检测e个错码 要求最小码距 2 4差错控制编码 图2 17码距与检错能力的关系 3 码距与检纠错能力的关系在一个码组中 为纠正t个错码 要求最小码距 2 4差错控制编码 图2 18码距与纠错能力的关系 3 码距与检纠错能力的关系在一个码组中 纠正t个错码 同时检测e e t 个错码 要求最小码距 2 4差错控制编码 图2 19码距与检纠错能力的关系 2 5数字信号的基带传输 数字信号的传输分为两种形式 数字信号基带传输 是指不使用调制和解调装置而直接传输数字基带信号的系统 数字信号频带传输 包括了调制和解调过程的传输系统称为频带传输系统 数字基带传输系统信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号 信道可以是允许基带信号通过的媒质 接收滤波器是用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰的 抽样判决器则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号 图2 20基带传输系统的基本结构 2 5数字信号的基带传输 几种最基本的基带信号码波形 以矩形为例 单极性NRZ NonReturnZero 码 双极性 BNRZ 码 单极性归零 RZ 码 双极性归零 BRZ 码 差分码 多电平码 2 5数字信号的基带传输 图2 22几种最基本的基带信号波形 2 基带信号的时域表示 二进制 若an表示第n个信息符号对应的电平值 0 1或 1 1 对应二进制符号的 0 对应 1 码元间隔为 则数字基带信号可表示为 2 5数字信号的基带传输 1 AMI码 传号交替反转码 编码规则 代码0 空号 仍变换为传输码的0 而把代码中的1 传号 交替变换成传输码的 1 1 1 1 举例 消息代码 10011000111 AMI码 100 l 1000 1 1 1 2 5数字信号的基带传输 2 HDB3码 三阶高密度双极性码 编码规则 HDB3码是在AMI码基础上加以改进的码型 当AMI码没有出现4个或4个以上的连0码时 仍按AMI码编码 当出现4个连0码时 要将4个连0码 0000 以取代节 000V 或 B00V 取代 V码和B码都是 1码或 1码 2 5数字信号的基带传输 HDB3码编码举例例1 代码 100001000011000011AMI码 10000 10000 l l0000 1 1HDB3码 1000 V 1000 V 1 l B00 V 1 1例2 100000110000100000HDB3 1000V0 11 B00 V1000V0 2 5数字信号的基带传输 2 6 2数字调制数字调制是指基带信号的取值是离散的 数字信号 即用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息 在接收端只需对载波信号的离散调制参量进行检测就可以实现信号的解调 二进制数字调制有振幅键控 ASK 移频键控 FSK 和移相键控 PSK 三种基本形式 2 6数字信号的频带传输 3 2PSK和2DPSK 1 2PSK 二进制绝对相移键控 用待传递的数字信号 两种状态 改变载波的初相角 1 实现 2 6数字信号的频带传输 图2 33 a 2PSK信号模拟调制法框图 3 2PSK和2DPSK 1 2PSK 二进制绝对相移键控 用待传递的数字信号 两种状态 改变载波的初相角 1 实现 2 6数字信号的频带传输 图2 33 b 2PSK信号键控法框图 3 2PSK和2DPSK 1 2PSK 二进制绝对相移键控 2 波形示例 2 6数字信号的频带传输 小结 根据定时信号的不同 同步可具体指载波同步 位同步 帧同步和网同步 载波同步是所有同步的基础 使接收端可从高频调制信号中得到原发送端的数字编码信号 位同步是指通信双方的定时脉冲信号频率相等且符合一定的相位关系 使接收端正确接收和判决发送端送来的每一个码元 帧同步指通信双方的帧定时信号的频率相同且保持一定的相位关系 保证收 发双方在各自对应的话路上保持时间一致 使接收端能正确接收发送端送来的每一个话路信号 网同步可以保证通信网内的信息能灵活可靠的交换与复接 2 7数字系统同步技术 3 1 3数据传输方式1 串行传输与并行传输串行传输是数字流以串行方式在一条信道上传输 优点 只需要一条信道 易于实现 缺点 存在收发双方如何实现字符同步的问题 3 1数据通信概述 异步传输方式也称为起止式同步方式 以字符作为传输单位 为了实现字符同步 在传送一个字符序列时 在字符的开始和末尾加上两个码元 分别表示该字符的起始和停止 称为起始位和停止位 起始位长度为1个码元 极性为 0 停止位长度为1 2个码元 极性为 1 如图3 1 3 a 所示 3 1数据通信概述 同步传输方式 又称独立同步方式 这种方式收发双方要保证比特同步 字符同步是通过同步字符SYN来实现的 如图3 1 3 b 所示 SYN的作用 一是当收端收到2个以上的SYN就开始与发端同步 并按每8位码组成一个字符 二是当报文发完 但尚未断开与收端的联系 用SYN维持双方的同步 多用在短距离高速数据传输中 3 1数据通信概述 这种分层结构的特点是 各层相对独立 每一层完成自身定义的功能 可以单独地开发 修改本层功能 而不影响其他层 第n层完成自身定义的功能时 只利用 n 1 层所完成的功能 而不关心这些功能是怎样完成的 不同系统的同层实体间使用该层协议进行通信 只有最低层才发生直接数据传送 且最低层只提供服务 3 2计算机网络体系结构 除最低层外 其他层实体间没有直接物理连接不能直接交换信息 必须利用下一层实现的协议所提供的更为基本的服务来实现本层通信 两种不同的协议可能对应同一层 但它们之间不能协同工作 只有执行相同协议的实体才能通信 在需要不同的通信服务时 可在一层内设置两个或更多的子层 3 2计算机网络体系结构 由于局域网的拓扑结构非常简单 且多个站点共享传输信道 所以局域网中没有必要单独设置网络层 而是将网络层的一些功能 如分组寻址 排序 流量控制 差错控制等交给数据链路层去完成 所以 IEEE802的工作集中在物理层 数据链路层和网络层的接口上 如右图所示 3 3计算机局域网 图3 3 2局域网参考模型 3 3计算机局域网 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准 802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层媒体接入控制MAC MediumAccessControl 子层与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输媒体无关 不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的 3 3 4以太网及IEEE802 3标准IEEE802 3局域网是一种基带总线局域网 它以无源的电缆作为总线来传送数据帧 并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太 Ether 来命名 以太网 是Ethernet的中译名 采用 载波侦听多路访问 冲突检测 CSMA CD 作为媒体访问控制方法 3 3计算机局域网 CSMA CD协议CSMA CD允许多台计算机随时访问总线 希望发送的站首先侦听载波 以确定媒质是否有数据传输 若总线已被占用 发送站继续监听载波并推迟发送直到总线空闲 若总线空闲 该站可以发送数据 由于传播时延的存在 冲突是不可避免的 为此 此协议增加了 冲突检测 即一边发送 一边侦听 如发生冲突 则发送站经过一个随机时延后 重新发起传送 并重复以上过程 直至发送成功 3 3计算机局域网 无线局域网不能简单地搬用CSMA CD协议 其中存在的问题隐蔽站问题暴露站问题在802 11标准中 采用CSMA CA协议 无线局域网的特殊问题 无线局域网的特殊问题 A B C D 当A和C检测不到无线信号时 都以为B是空闲的 因而都向B发送数据 结果发生碰撞 这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题 hiddenstationproblem 无线局域网的特殊问题 A D C B B向A发送数据 而C又想和D通信 C检测到媒体上有信号 于是就不敢向D发送数据 其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题 exposedstationproblem 3 5TCP IP 网际协议IP是TCP IP体系中两个最主要的协议之一 与IP协议配套使用的还有四个协议 地址解析协议ARP逆地址解析协议RARP因特网控制报文协议ICMP因特网组管理协议IGMP 西安邮电学院通信工程系 IPv4分类编址机制表示方法 一个IPv4地址由4个8位字节组成 用小数点分隔 点分十进制 129 45 8 22点分十六进制 0 x8 0 x43 0 x10 0 x26 主机所在的网络号 一个网络内的某个主机号 2 子网掩码为了充分利用IP地址资源 降低路由选择的复杂性 可以将主机地址细分为子网地址和主机地址 3 5TCP IP 子网掩码 有32位 其中网络号和子网号部分用二进制 1 表示 主机号部分用二进制 0 表示 通过将IP地址和子网掩码进行逻辑 与 运算 就可以得到网络号和子网号 3 端口 运输层地址 网际层以下 含网际层 只提供两个相邻节点之间的计算机到计算机 点到点 传输 没有涉及应用程序即进程的概念 当数据传送到目的主机时 应该由哪个应用程序 进程 处理到达的数据 网际层不能解决此问题 运输层协议可以解决 运输层的基本任务是提供应用程序之间的通信 称为端到端通信 3 5TCP IP 3 端口 运输层地址 端口 用于应用程序与运输层之间的通信 端口标识应用程序 运输层传给该端口的数据都被此应用程序接收 端口号 共16位 分标准服务保留端口和自由端口两种 1 标准服务保留端口是众所周知的端口 端口号从0 255 统一分配 每个服务器进程都有一个端口号 同一计算机上不同服务器有不同端口号 不同计算机上同样服务器有相同端口号 例如FTP服务器端口号是21 Telnet服务器端口号是23等等 3 5TCP IP 3 5 5网际层网际层协议的核心是IP协议 此外 网际层还包括 Internet控制信息协议 ICMP 地址转换协议 ARP 反向地址转换协议 RARP 3 5TCP IP 1 ICMP InternetControlMessageProtocol 因特网控制报文协议 ICMP是Internet层的另一个比较重要的协议 路由器使用该协议对数据报的传输过程进行控制 即路由器使用ICMP消息将传输过程中的问题通知源IP进行处理 3 5TCP IP 2 ARP AddressResolutionProtocol TCP IP的应用程序和网际层以上的所有协议软件只使用IP地址 而网络接口层使用物理地址 ARP用来实现IP地址到物理地址的转换 ARP技术的关键是ARP表 ARP表放在ARP高速缓存器 ARPcache 中 ARP表的每一行有IP地址和相应的物理地址 每一行对应一台主机 3 5TCP IP 3 RARP ReverseARP 将物理地址转换成IP地址 RARP主要用于无盘工作站 当无盘工作站启动时 往往只知道自己的物理地址 不知道自己的IP地址 为了使用高层协议进行通信 无盘工作站必须从外部获得IP地址 3 5TCP IP 3 5 8网络互连设备分类从协议的层次看 不同网络互连设备可以在OSI模型的不同层次上实现网络互连 中继器 repeater 物理层互连设备 网桥 bridge 数据链路层互连设备 路由器 router 网络层互连设备 网关 gateway 传输层或更高层次的互连设备 3 5TCP IP 重要概念冲突域 在共享介质型局域网中 会发生冲突碰撞的区域称为一个冲突域或碰撞域 在一个冲突域中 同时只能有一个站点发送数据 广播域 当局域网上任意一个站点发送广播帧时 凡能收到广播帧的区域称为广播域 这一区域中的所有站点称为处在同一个广播域 通过中继器 集线器等物理层设备进行网络连接 可以扩大通信范围 但不能隔离碰撞域 通过网桥 局域网交换机等数链层设备进行网的连接 可以隔离碰撞域 但不能隔离广播域 只有通过三层以上设备 才能隔离广播域 现代移动通信网络技术 90 3 6 2X 25网 X 25网就是X 25分组交换网 它是在二十多年前根据CCITT 即现在的ITU T 的X 25建议书实现的计算机网络 X 25只是一个对公用分组交换网接口的规约 X 25所讨论的都是以面向连接的虚电路服务为基础 3 6广域网 92 3 面向连接网络和无连接网络信息在通信网中传递时 网络有两种工作方式 面向连接CO ConnectionOriented 无连接CL Connectionless 4 1 1交换与通信网 93 面向连接网络和无连接网络的主要区别 1 面向连接网络用户的通信要经过建立连接 信息传送 释放连接三个阶段 而无连接网络不为用户的通信过程建立和拆除连接 2 面向连接网络中的每一个节点为每一个呼叫选路 节点中需要有维持连接的状态表 而无连接网络中的每一个节点为每一个传送的信息选路 节点中不需要维持连接的状态表 3 用户信息较长时 采用面向连接的通信方式的效率高 反之 使用无连接的方式要好一些 5 1 1交换与通信网 94 1 路由表将交换节点中存储的到网络中每一个目的地的路由信息的数据结构称为 路由表 交换节点依靠它进行寻址选路 路由表可以静态设置 如电话网中的路由表和ITUATM网中的路由表是以局数据的形式人工输入的 路由表也可以动态创建 如无连接的Internet就是根据路由协议来交换网络拓扑信息 创建转发的路由表 5 1 2交换原理 95 2 转发表在面向连接网络中 连接建立阶段 这条连接经过的每个交换节点将路由信息保存到一张数据表中 以维持网络内的连接状态 这张表就是转发表 在用户数据传输阶段 用户数据无需携带目的地地址 交换节点将根据已经建立好的转发表实现快速的数据交换 5 1 2交换原理 96 分组交换的概念分组交换的基本思想是 把用户要传送的信息分成若干个小的数据块 即分组 packet 这些分组长度较短 并具有统一的格式 每个分组有一个分组头 包含用于控制和选路的有关信息 分组以 存储 转发 的方式在网内传输 即每个交换节点首先对收到的分组进行暂时存储 分析该分组头中有关选路的信息 进行路由选择 并在选择的路由上进行排队 等到有空闲信道时转发给下一个交换节点或用户终端 5 3 1分组交换概述 97 3虚电路和数据报如前所述 在分组交换网中 来自各个用户的数据被分成一个个分组 这些分组将沿着各自的逻辑信道 从源点出发 经过网络达到终点 问题是 分组是如何通过网络的 分组在通过数据网时有两种方式 虚电路VC VirtualCircuit 方式和数据报DG DataGram 方式 两种方式各有其特点 可以适应不同业务的需求 5 3 2分组交换原理 98 分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电路不同 分组交换中 以统计时分复用的方式在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路 两个用户终端之间建立的是虚连接 每个终端发送信息没有固定的时间 它们的分组在节点机内部的相应端口进行排队 当某终端暂时无信息发送时 线路的全部带宽资源可以由其它用户共享 电路交换中 是以同步时分方式进行复用的 两用户终端之间建立的是实连接 在电路交换中 多个用户终端的信息在固定的时间段内向所复用的物理线路上发送信息 若某个时间段某终端无信息发送 其它终端也不能在分配给该用户终端的时间段内向线路上发送信息 建立实连接时 不但确定了信息所走的路径 同时还为信息的传送预留了带宽资源 而在建立虚电路时 仅仅是确定了信息所走的端到端的路径 但并不一定要求预留带宽资源 5 3 2分组交换原理 99 2 ATM的概念ATM的具体定义为 ATM是一种传送模式 在这一模式中用户信息被组织成固定长度的信元 信元随机占用信道资源 也就是说 信元不按照一定时间间隔周期性地出现 从这个意义上来看 这种传送模式是异步的 统计时分复用也叫异步时分复用 ATM的信元具有固定的长度 从传输效率 时延及系统实现的复杂性考虑 ITU T规定ATM的信元长度为53字节 信元的结构如图5 19所示 图5 19ATM信元的结构 5 4 1ATM技术介绍 100 ATM技术的特点1 采用固定长度的短分组在ATM中采用固定长度的短分组 称为信元 Cell 固定长度的短分组决定了ATM系统的处理时间短 响应快 便于用硬件实现 特别适合实时业务和高速应用 5 4 1ATM技术介绍 101 2 采用统计复用传统的电路交换中 同步传送模式 STM 将来自各种信道上的数据组成帧格式 每路信号占用固定比特位组 在时间上相当于固定的时隙 任何信道都通过位置进行标识 ATM是按信元进行统计复用的 在时间上没有固定的复用位置 根据标志来识别每路信号 统计复用是按需分配带宽的 可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要 5 4 1ATM技术介绍 102 3 采用面向连接并预约传输资源的方式工作电路交换通过预约传输资源保证实时信息的传输 同时端到端的连接使得在信息传输时 在任意的交换节点不必作复杂的路由选择 这项工作在呼叫建立时已经完成 分组交换模式提出虚电路工作模式 目的也是为了减少传输过程中交换机为每个分组作路由选择的开销 同时可以保证分组顺序的正确性 但是分组交换取消了资源预定的策略 虽然提高了网络的传输效率 但却有可能使网络接收超过其传输能力的负载 造成所有信息都无法快速传输到目的地 5 4 1ATM技术介绍 103 ATM方式采用的是分组交换中的虚电路形式 同时在呼叫建立时向网络提出传输所希望使用的资源 网络根据当前的状态决定是否接受这个呼叫 其中资源的约定是给出用以表示将来通信过程中可能使用的通信速率 采用预约资源的方式 可以保证网络上的信息在一个允许的差错率下传输 另外 考虑到业务具有波动的特点和交换中同时存在的连接的数量 根据概率论中的大数定理 网络预分配的通信资源肯定小于信源传输时的峰值速率 5 4 1ATM技术介绍 104 4 取消逐段链路的差错控制和流量控制分组交换协议设计运行的环境是误码率很高的模拟通信线路 所以执行逐段链路的差错控制 同时由于没有预约资源机制 所以任何一段链路上的数据量都有可能超过其传输能力 所以有必要执行逐段链路的流量控制 ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上 同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于子网络的传输能力 所以ATM取消了网络内部节点之间链路上的差错控制和流量控制 5 4 1ATM技术介绍 105 但是通信过程中必定会出现的差错如何解决呢 如果信元头部出现差错 会导致信元传输的目的地发生错误 如果网络发现这样的错误 就简单地丢弃信元 至于如何处理由于这些错误而导致信息丢失后的情况则由通信的终端处理 如果信元净荷部分 用户的信息 出现差错 判断和处理同样由通信的终端完成 对于不同的传输媒体可以采取不同的处理策略 例如 对于计算机数据通信 文本传输 使用请求重发技术要求发送端重新发送 而对于话音和视频这类实时信息发生的错误 接收端可以采用某种掩盖措施 错误隐藏 减少对接收用户的影响 5 4 1ATM技术介绍 106 5 ATM信元头部的功能降低由于ATM网络中链路的功能变得非常有限 因此信元头部变得异常简单 其功能包括 1 标志虚电路 这个标志在呼叫建立阶段产生 用以表示信元经过网络中传输的路径 依靠这个标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上 2 信元的头部增加纠错和检错机制 防止因为信元头部出现错误导致信元误选路由 5 4 1ATM技术介绍 107 3 很少的维护开销比特 不再像传统分组交换中那样 包含信息差错控制 分组流量控制以及其它特定开销 因此ATM技术既具有电路交换的 处理简单 支持实时业务 数据透明传输 采用端到端的通信协议等特点 又具有分组交换的支持变比特率 VBR 业务的特点 并能对链路上传输的业务进行统计复用 5 4 1ATM技术介绍 108 ATM协议参考模型在ITU T的I 321建议中定义了B ISDN协议参考模型 如图5 21所示 它包括三个面 用户面 控制面和管理面 用户面 控制面都是分层的 分为物理层 ATM层 AAL层和高层 5 4 2ATM协议参考模型 图5 21B ISDN协议参考模型 109 B ISDN协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能 用户平面 采用分层结构 提供用户信息流的传送 同时也具有一定的控制功能 如流量控制 差错控制等 控制平面 采用分层结构 完成呼叫控制和连接控制功能 利用信令进行呼叫和连接的建立 监视和释放 管理平面 包括层管理和面管理 层管理采用分层结构 完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能 如元信令 同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流 面管理不分层 它完成与整个系统相关的管理功能 并对所有平面起协调作用 5 4 2ATM协议参考模型 信道传输条件恶劣 移动台使用无线信道 在电波传播的过程中 由于多径衰落 建筑物阻挡造成的阴影效应 移动台运动引起的多普勒频移等 使接收信号极不稳定 信号起伏幅度可达30dB以上 6 1移动通信概述 4 移动通信的特点 强干扰情况下工作移动通信除受到汽车发动机的火花干扰及工业干扰以外 主要的干扰有互调干扰 邻道干扰及同频干扰 互调干扰 由于部件的非线性引起 非线性部件的输出信号中 会包含输入信号所没有的新的频率成分 如果这些新的频率成分落入其他信号的频率范围之内 就会对该信道造成干扰 称为互调干扰 邻道干扰 相邻或邻近信道之间 由于信道隔离度不够造成的干扰 同频干扰 相同频率的无用信号造成的干扰 6 1移动通信概述 可供使用的频率资源有限 移动通信的可用频率范围有限 而移动通信的用户数却在猛增 故有效地利用频率资源是移动通信系统的一个重要研究课题 建网技术复杂 由于移动台在通信区域内随时运动 需要随机选用无线通道 同时需支持位置登记 越区切换及漫游存取的跟踪技术 这使其信令种类比固定网要复杂得多 此外 在入网和计费方式也有其特殊的要求 所以移动通信系统相当的复杂 6 1移动通信概述 双工通信方式 通信双方在通话时收发信机同时工作 即任意一方在发话的同时 也能收听到对方的信息 与普通有线电话的使用情况类似 通信双方通过双工器来完成双工通信 分为频分双工 FDD 和时分双工 TDD 6 1移动通信概述 5 移动通信的工作方式 频分双工通信方式 FDD 收 发信机所用频率不同 一般双工频差为几MHZ到几十MHZ 即从频率上来区分收发信道 优点 使用方便 收发信机自身的干扰较小 缺点 需占用两个频段才能工作 占用频谱资源多 MS在通信中发射机经常处于发射状态 耗电大 6 1移动通信概述 时分双工通信方式 TDD 信号的接收和传送在同一频率的信道即载波的不同时隙 用保证时间来分离接收与传输信道 我国的3G技术标准TD SCDMA中就采用了此技术 与FDD模式相比具有以下五个方面优势 频谱灵活性高频谱利用率高支持不对称数据业务有利于采用新技术成本低 6 1移动通信概述 多址技术 多址技术 在移动通信系统中 有许多用户都要同时通过同一个基站和其他用户进行通信 因而 必须对不同用户和基站发出的信号赋予不同特征 使基站能从众多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号 而各用户台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号 多址方式的类型有 即频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 和空分多址 SDMA 频分多址 FDMA 按频道划分用户 频带独享 时间共享时分多址 TDMA 按时隙划分用户 时隙独享 频率共享码分多址 CDMA 按码型划分用户 时隙 频率共享空分多址 SDMA 按空间角度划分用户 频率 时隙 码型共享 多址技术 GSM网络结构 GSM系统的工作过程 呼叫接续 越区切换 位置更新 6 3 1GSM系统 位置更新 定义 移动通信网为了跟踪移动台的位置变化 而对其位置信息进行登记 删除和更新的过程 在GSM系统中 位置信息存储在HLR和VLR中 1 位置区GSM蜂窝系统把整个网络的覆盖区划分为许多位置区 并以不同的LAI码进行标识 此标识在BCCH信道中传送 6 3 1GSM系统 2 位置登记的三个步骤 在管理新LA的VLR中登记MT 修改HLR中记录服务该MT的新VLR的ID号 在旧VLR和MSC中注销该MT 位置更新 6 3 1GSM系统 GSM系统的工作过程 呼叫接续 越区切换 位置更新 6 3 1GSM系统 越区切换 1 定义将当前正在进行的移动台与BS之间的通信链路从当前BS转移到另一个BS的过程 该过程也称为自动链路转移ALT automaticlinktransfer 6 3 1GSM系统 同一个BSC 不同小区同一个MSC VLR 不同BSC不同MSC VLR的区间切换 3 GSM系统中的越区种类 越区切换 6 3 1GSM系统 GSM系统的工作过程 呼叫接续 越区切换 位置更新 6 3 1GSM系统 呼叫接续 1 移动用户主呼 移动用户向固定用户发起呼叫 2 移动用户被呼固定用户向移动用户发起呼叫 6 3 1GSM系统 IMT 20003G最早由ITU在1985年提出 称为未来公众陆地移动通信系统 FPLMTS 1996年更名为国际移动通信2000即IMT2000 6 4第三代移动通信系统 3G 针对于主流CDMA技术 通过融合 目前形成三种主流技术标准 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA 3 IMT 2000中RTT提案 6 4第三代移动通信系统 3G 5 1概述 5 1 2光纤通信的概念光纤通信是以光波为载波 光导纤维 简称光纤 为传输媒质的一种