通信系统的现状及发展趋势.docx

通信系统的现状及发展趋势摘要：通信是一个古老而崭新的话题。其根源可追溯到公元前3500年，苏美尔人发明了楔形文字，埃及人发明了象形文字，这可以说是最古老的通信方式。而中国古代的烽火台和非洲一些地方的“击鼓传信”则是无线通信的鼻祖。 现代意义上的通信是在发现了电流之后，1793年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路。据说两兄弟是第一个使用“电报”这个词的人。现代意义上的无线通信是从莫尔斯开始，1843年，莫尔斯获得了3万美元的资助，他用这笔款修建成了从华盛顿到巴尔的摩的电报线路，全长64.4公里。1844年5月24日，在座无虚席的国会大厦里，莫尔斯用他那激动得有些颤抖的双手，操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹！”再回到现在的公元2017年，通信产业仍然有强劲的生命力，依然处在蓬勃发展阶段之中。各种新的技术日新月异，层出不穷。通信系统现状（一）通信系统的分类 1、按照通信的业务和用途分类：根据通信的业务和用途分类，有常规通信、控制通信等。其中常规通信又分为话务通信和非话务通信。话务通信业务主要是电话服务为主，程控数字电话交换网络的主要目标就是为普通用户提供电话通信服务。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、传真、视频通信等等。在过去很长一段时期内，由于电话通信网最为发达，因而其它通信方式往往需要借助于公共电话网进行传输，但是随着Internet网的迅速发展，这一状况已经发生了显著的变化。控制通信主要包括遥测、遥控等等，如卫星测控、导弹测控、遥控指令通信等等都是属于控制通信的范围。 话务通信和非话务通信有着各自的特点。话音业务传输具有三个特点，首先人耳对传输时延十分敏感，如果传输时延超过100ms，通信双方会明显感觉到对方反应“迟钝”，使人感到很不自然；第二要求通信传输时延抖动尽可能小，因为时延的抖动可能会造成话音音调的变化，使得接听者感觉对方声音“变调”，甚至不能通过声音分辨出对方；话音传输的第三个特点是对传输过程中出现的偶然差错并不敏感，传输的偶然差错只会造成瞬间话 音的失真和出错，但不会使接听者对讲话人语义的理解造成大的影响。 对于数据信息，通常情况下更关注传输的准确性，有时要求实时传输，有时又可能对实时性要求不高。对于视频信息，对传输时延的要求与话务通信相当，但是视频信息的数据量要比话音要大得多，如语音信号PCM（Pulse Code Modulation）编码的信息速率为64kbps，而MPEG-II（Motion Picture Experts Group）压缩视频的信息速率则在28Mbps之间。 目前（截止2006年底），话务通信在电信网中仍然占据着重要的地位，如现有的程控电话交换网络、第二代数字移动通信网络GSM（Global System of Mobile Communications）和IS-95 CDMA所提供的业务都是以话音业务为主，随着Internet的迅猛发展，非话业务也有了长足的发展，在信息流量方面已经超过了话音信息流量。 2、按调制方式分类：根据是否采用调制，可以将通信系统分为基带传输和调制传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话（用户线上传输的信号）、Ethernet网中传输的信号等。调制的目的是使载波携带要发送的信息，对于正弦载波调制，可以用要发送的信息去控制或改变载波的幅度、频率或相位。接收端通过解调就可以恢复出信息。在通信系统中，调制的目的主要有以下几个方面： （1）便于信息的传输。调制过程可以将信号频谱搬移到任何需要的频率范围，便于与信道传输特性相匹配。如无线传输时，必须要将信号调制到相应的射频上才能够进行无线电通信。 （2）改变信号占据的带宽。调制后的信号频谱通常被搬移到某个载频附近的频带内，其有效带宽相对于载频而言是一个窄带信号，在此频带内引入的噪声就减小了，从而可以提高系统的抗干扰性。 （3）改善系统的性能。由信息论可知，有可能通过增加带宽的方式来换取接收信噪比的提高，从而可以提高通信系统的可靠性，各种调制方式正是为了达到这些目的而发展起来的。 3、按传输信号的特征分类：按照信道中所传输的信号是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统在最近几十年获得了快速发展，数字通信系统也是目前商用通信系统的主流。 4、按传送信号的复用和多址方式分类：复用是指多路信号利用同一个信道进行独立传输。传送多路信号目前有四种复用方式，即频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）、时分复用TDM（Time Division Multiplexing）、码分复用CDM（Code Division Multiplexing）和波分复用WDM（Wave Division Multiplexing）。 FDM是采用频谱搬移的办法使不同信号分别占据不同的频带进行传输，时分复用是使不同信号分别占据不同的时间片断进行传输，码分复用则是采用一组正交的脉冲序列分别携带不同的信号。波分复用使用在光纤通信中，可以在一条光纤内同时传输多个波长的光信号，成倍提高光纤的传输容量。 多址是指在多用户通信系统中区分多个用户的方式。如在移动通信系统中，同时为多个移动用户提供通信服务，需要采取某种方式区分各个通信用户，多址方式主要有频分多址FDMA（Frequency Division Multiple Access）、时分多址TDMA（Time Division Multiple Access）和码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）三种方式。移动通信系统是各种多址技术应用的一个十分典型的例子。第一代移动通信系统，如TACS（Total Access Communications System）、AMPS（Advanced Mobile Phone System）都是FDMA的模拟通信系统，即同一基站下的无线通话用户分别占据不同的频带传输信息。第二代（2G: 2nd Generation）移动通信系统则多是TDMA的数字通信系统，GSM是目前全球市场占有率最高的2G移动通信系统，是典型的TDMA的通信系统。2G移动通信标准中唯一的采用CDMA技术的是IS-95 CDMA通信系统。而第三代（3G: 3rd Generation）移动通信系统的三种主流通信标准W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA则全部是基于CDMA的通信系统。 5、按传输媒介分类：通信系统可以分为有线（包括光纤）和无线通信两大类，有线信道包括架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆等。使用架空明线传输媒介的通信系统主要有早期的载波电话系统，使用双绞线传输的通信系统有电话系统、计算机局域网等等，同轴电缆在微波通信、程控交换等系统中以及设备内部和天线馈线中使用。无线通信依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的，如短波电离层传播、微波视距传输等。 6、按工作波段分类：按照通信设备的工作频率或波长的不同，分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等等。 （二）通信技术 随着我国经济水平的逐渐提高，通信技术在人们生活中的应用越来越普遍，通信技术的广泛应用，不仅便捷了人们生活中的沟通，而且也促进了通信技术的逐步更新。现在常用的通信技术有光纤通信技术，量子通信技术；近距离的通信技术有：蓝牙，Wi-Fi，ZigBee，4G 网络，WIMAX等。 1、光纤通信：光纤通信技术是以光信号作为信息载体、以光纤作为传输介质的通信技术。在光纤通信系统中，因光波频率极高以及光纤介质损耗极低，故而光纤通信的容量极大，要比微波等通信方式带宽大上几十倍。光纤主要由纤芯、包层和涂敷层构成。纤芯由高度透明的材料制成，一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，它的折射率略小于纤芯，包层的作用就是确保光纤它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路问题；涂敷层的作用是保护光线不受水气侵蚀及机械擦伤，同时增加光线的柔韧性；在涂敷层外，往往加有塑料外套。光纤的内芯非常细小，由多根纤芯组成光缆的直径也非常小，用光缆作为传输通道，可以使传输系统占极小空间，解决目前地下管道空间不够的问题。 我国从1974年开始研究光纤通信技术，因光纤体积小、重量轻、传输频带极宽、传输距离远、电磁干扰抗性强以及不易串音等优点，发展十分迅速。目前，光纤通信在邮电通信系统等诸多领域发展迅猛，光纤通信优越的性能及强大的竞争力，很快代替了电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。从总体趋势看，光纤通信必将成为未来通信发展的主要方式。 2、量子通信：在量子通信网络中，主要有量子空分交换技术、量子时分交换技术、量子波分交换技术等。量子空分交换是通过改变光量子信号的物理传输通道来实现光量子信号的交换；量子时分交换是在时间同步的基础上对光量子信号进行时分复用而进行的交换；量子波分交换是将光量子信号经过波分解复用器、波长变换器、波长滤波器、波分复用器而进行的交换。量子通信网络有三个功能层面：量子通信网络管理层、量子通信控制层和传输信道层。由量子通信控制层进行呼叫连接处理、信道资源管理和建立路由，进而控制光纤通道建立端到端量子信道，管理层负责资源和链路等的管理，控制层和管理层的功能由经典通信链路完。 2016年底，北京和上海之间将建成一条全长 2000 余公里的量子保密通信骨干线路“京沪干线”，它是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，主要开展远距离、大尺度量子保密通信关键验证、应用和示范。此干线可以实现远程高清量子保密视频会议系统和其他多媒体跨越互联应用，也可以实现金融、政务领域的远程或同城数据灾备系统，金融机构数据采集系统等应用。2016 年 7 月份中国将发射全球首颗量子科学实验通讯卫星，这标志着我国通信技术的突破性发展，标志着中国同时在军用通信领域站在了世界的最前列，之后会陆续发射的更多量子通讯卫星，就可以建成全球性的量子通信网络。正如潘建伟院士所说量子科学实验卫星的发射，将表明中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者、领跑者，量子通信将会尽快走进每个人的生活，就像计算机曾经做到的一样，改变世界。量子通讯卫星和“京沪干线”的成功将意味着一个天地一体化的量子通信网络的形成。 量子通信与传统的经典通信相比，具有极高的安全性和保密性，且时效性高传输速度快，没有电磁辐射，它的这些优点决定了其无法估量的应用前景。通过光纤可以实现城域量子通信网络，通过中继器连接实现城际量子网络，通过卫星中转实现远距离量子通信，最终构成广域量子通信网络。未来数年内，量子通信将会实现大规模应用，经典通信的硬件设施并不会被完全取代，而是在现有设施的基础上进行融合。在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备，即可在电话、传真、光纤网络等原有的通信网络中实现量子通信，这将大大地提升通信的安全性。量子通信有望在 10 到 15 年之后成为继电子和光电子之后的新一代通信技术，这种“无条件安全”的通信方式，将从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。 3、蓝牙技术：以近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术，要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，在没有电缆或者是电缆通过 1Mb/s 的速率进行数据的相互传递的同时，还能够比较便捷地接入到互联网当中，这是一种能够实现语音以及数据无线传输的规范，是一种成本低廉、功耗较低、具备一定的安全性的无线连接的新技术。 4、Wi-Fi：无线局域网能够实现 MOPS 的无线接入，这种技术的主要优势在于能够较完美的解决无线局域网以及校园网当中的用户以及用户终端的无线接入，其覆盖的范围大约能够达到 100m, 而且传输的速度比较快，相对而言，成本也比较低下，大大的节省了网络布线的费用，而且更加方面厂商的参与，尽管其数据的安全性会稍微逊色于蓝牙技术，但是其带宽以及电波的覆盖面积与蓝牙相比具有非常明显的优势，但是其较好的带宽也是以非常高的功耗作为主要代价的，所以说，绝大部分的无线网络都需要具备较高的电能作为储备，这也在一定程度上限制了无线网路在工业场所的广泛使用。 5、ZigBee：ZigBee是一种低速率、短距离的新兴无线组网通信技术。它主要用于近距离无线连接，是一种介于无线标记技术与蓝牙之间的技术提案。ZigBee技术具备自身的无线标准，其主要借助于数以千计的微小的传感器相互之间的协调来达到通信的目的，借助于无线电波，这些传感器用类似接力的方法实现数据由同一个传感器向另外一个传感器的传送，在此过程当中，所需要使用的能量极其微小，因此，这种通信的效率相对而言是比较高的。 6、4G ：4G 网络也就是 3G 网络和 WLAN 的结合体，其主要的优势为，能够更加清晰的进行视频图像的传输，其图片的质量与电视的清晰质量几乎一致，4G 系统的下载速度也很理想，通常情况下，能够达到 10MB 的速度，与目前的拨号上网相比，网速快了大概200倍，上传的速度也非常快，基本上能够达到5Mbps4，此外，其还能够充分的满足用户对其所提出的要求，4G 网络还能够再 DSL 以及有线电视解调器还没有进行覆盖的地方部署，进而逐渐扩展到全部的地区，显而易见，4G 网络所具有的优势目前的网络无法取代的。 7、WIMAX：和3G与WiMAX、WLAN等宽带无线技术而言，它们之间虽然存在着局部竞争，但融合已是大势所趋。当前已经得到规模化商用的3G网络，不仅在产业化和规模化方面拥有其他无线技术无法比拟的优势，而且它还具有广域覆盖、全球漫游、电信级安全性等优势，这使得3G当仁不让地成为多元融合的公共无线通信平台。WiMAX由于具有超高的数据传输速率，可以构建一个完全覆盖城域的宽带无线网络，WLAN则在局域网领域大有用武之地。同时，以 3G为代表的公众移动通信网络在向B3G4G演进的过程中，网络带宽将得到全面扩展；而WiMAX则在技术演进的过程中，致力于全面增强移动性和安全性。可以预见，将来在无线城市、电子政务、企业应用以及教育等领域，3G与WiMAX、WLAN的融合(移动+宽带)，将使得人们在不同的网络环境中，享受到更加灵活的、更加丰富多彩的应用服务。发展趋势1、智能化：想要实现智能化的通信首要条件是必须建立起先进的通信智能网络。智能网是一种可以灵活方便地提供新业务的网络,可将这种网络看作是隐藏于现有通信网络当中的一个网,简单来讲,智能网并非是独立的网络,它只是在现有的通信网络中增添一些功能模块,使之形成新一代的智能通信网络。通信网络实现智能化后,当用户需要改变或是新增业务时,仅仅需要在系统当中增添一个或是几个相应的模块即可,这不但为用户节省了办理业务所需的时间,而且也提高了业务效率。2、宽带化：宽带化就是指通信系统传输的频率范围越宽越好,这样便可以使每个单位时间内传输的信息变得更多。目前,大部分的通信干线都正在朝着数字化的方向转变,所以通信的宽带化也可以理解为是通信线路可以传输的数字信号的比特率越高越好。据有关文献记载,人类所有的历史资料在一条单模的光纤当中仅仅需要35 min的时间便可以完成传输。由此可见,光纤是实现超宽频带信