通信网络发展历程.ppt

通信网的历史与演进 通信设备的发展 在125年以前 亚力山大 G 贝尔还没有真正地意识到他为世界带来了什么 他发明了电话 并想到人们可以通过电话来听歌剧和使用其他增值服务 不管怎么说 怎么估算上个世纪电话发明所带来的影响都不过分 在它的影响之下 世界已变得越来越小 人们已逐渐意识到文化的多元化 商务活动也遍布全球 1892年爱立信将首套电话系统引入上海 接着2000台电话相继落户于中国大地之上 第一台电话交换机于1900年也投入使用 电话交换机的功能是连接两台电话 起初 电话转接是靠人工完成的 接线员拿起听筒问清呼叫对象然后再转接 磁石电话交换机 磁石电话交换机出现于1877年 中国是1892年开始使用磁石电话交换机的 现在仅在一些小城市和乡村中使用 磁石电话交换机上装有用户塞孔 用户号牌 话终回铃牌以及接线用塞绳 应答振铃用的电键和手摇发电机等 用户呼叫时须先摇动电话机上的发电机 使交换机上的号牌 跌落 话务员随即取一条塞绳 以一端的答应塞子插入跌落号牌的那个用户的塞孔 并扳动相应电键应答 问明所要号码后 将塞绳另一端的呼叫塞子插入被叫用户的塞孔 然后将电键扳至振铃位置 摇动发电机使被叫用户话机铃响 被叫用户听到铃响 摘机应答后 话务员将电键复原 双方即可通话 用户通话完毕 必须摇动发电机 使交换机上的回铃牌跌落 以此通知话务员拆线 模拟交换系统检测出你所呼叫的电话号码 然后通过一套先进的机械设备连接到你所呼叫的对象 上个世纪的前十年 电话交换已实现自动化 不过使用的还是模拟交换的方式 自动电话交换机 第一个研究发明自动电话的人是一个名叫阿尔蒙 B 史端乔的美国人 他是美国堪萨斯城一家殡仪馆的老板 他发觉 电话局的话务员不知是有意还是无意 常常把他的生意电话接到他的竞争者那里 使他的多笔生意因此丢掉 为此他大力恼火 发誓要发明一种不要话务员接线的自动接线设备 从1889年到1891年 他潜心研究一种能自动接线的交换机 结果他成功了 1891年3月10日 他获得了发明 步进制自动电话接线器 的专利权 1892年11月3日 用史端乔发明的接线器制成的 步进制自动电话交换机 在美国印第安纳州的拉波特城投入使用 这便是世界上第一个自动电话局 从此 电话通信跨入了一个新时代 步进制与纵横制 史端乔发明的自动电话交换机的制式 为什么叫做 步进制 这是因为它是靠电话用户拨号脉冲直接控制交换机的机械作一步一步动作的 例如 用户拨号 1 发出一个脉冲 所谓 脉冲 就是一个很短时间的电流 这个脉冲使接线器中的电磁铁吸动一次 接线器就向前动作一步 用户拨号码 2 就发出两个脉冲 使电磁铁吸动两次 接线器就向前动作两步 余类推 所以 这种交换机就叫做 步进制自动电话交换机 步进制与纵横制 1919年 瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了一种自动接线器 叫做 纵横制接线器 并申请了专利 1929年 瑞典松兹瓦尔市建成了世界上第一个大型纵横制电话局 拥有3500个用户 纵横制 的名称来自纵横接线器的构造 它由一些纵棒 横棒和电磁装置构成 控制通过电磁装置的电流可吸动相关的纵棒和横棒动作 使得纵棒和横棒在某个交叉点接触 从而实现接线的工作 噪音 步进制与纵横制 纵横制与步进制的控制方式不同 步进制是由用户拨号直接控制它的机械动作的 叫做 直接控制式 而纵横制是用户拨号要通过一个公共控制设备间接地控制接线器动作 因而叫做 间接控制式 间接控制方式 比 直接控制方式 有明显的优点 例如 它的工作比较灵活 便于在有多个电话局组成的电话网中实现灵活的交换 便于实现长途电话自动化 还便于配合使用新技术 开放新业务等等 因而 它的出现使自动电话交换技术提高到一个新的水平 程控交换机 1965年5月 美国贝尔系统的1号电子交换机 1ESS 问世 它是世界上第一部开通使用的程控电话交换机 但这还不是时分数字式的 而是所谓 空分 的 什么叫 空分 空分就是用户在打电话时要占用一对线路 也就是要占用一个空间位置 一直到打完电话为止 过去机电式的交换机都是空分方式的 从1965年到1975年这10年间 绝大部分程控交换机都是空分的 模拟的 数字通信 数字通信是用数字信号作为载体来传输消息 或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式 它可传输电报 数字数据等数字信号 也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号 模拟信号数字化有多种方法 最基本的是脉码调制 PCM 差值编码 DPCM 自适应差值编码 ADPCM 以及各种类型的增量调制 数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的 1937年 英国人A H 里夫斯提出脉码调制 PCM 从而推动了模拟信号数字化的进程 1946年 法国人E M 德洛雷因发明增量调制 1950年C C 卡特勒提出差值编码 1947年 美国贝尔实验室研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置 证实了实现PCM的可行性 1953年发明了不用编码管的反馈比较型编码器 扩大了输入信号的动态范围 1962年 美国研制出晶体管24路1 544兆比 秒脉码调制设备 并在市话网局间使用 数字通信与模拟通信相比具有明显的优点 它抗干扰能力强 通信质量不受距离的影响 能适应各种通信业务的要求 便于采用大规模集成电路 便于实现保密通信和计算机管理 不足之处是占用的信道频带较宽 数字程控交换机 1970年 法国开通了世界上第一部程控数字交换机 采用时分复用技术和大规模集成电路 随后世界各国都大力开发 进入80年代 程控数字电话交换机开始在世界上普及 数字交换 话音模拟信号在发送端经过抽样 量化和编码以后得到了PCM 脉冲编码调制 信号 该信号经过传输线路送到对端 在接收端将收到的PCM码还原成模拟话音信号 时分多路复用为了提高线路利用率 总是设法在一堆传输线路上 传输多个话路的信息 这就是多路复用 多路复用通常有频分制 时分制和码分制三种 频分与时分 频分制是将传输频带分成N部分 每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用 如图所示 这样在一对传输线路上可有N对话路信息传送 而每一对话路所占用的只是其中的一个频段 频分制通信又称载波通信 它是模拟通信的主要手段 检波与滤波 时分制是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息 如图所示 把N个话路设备接到一条公共的通道上 按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间 当轮到某个设备时 这个设备与通道接通 执行操作 与此同时 其它设备与通道的联系均被切断 待指定的使用时间间隔一到 则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去 时分制通信也称时间分割通信 它是数字电话多路通信的主要方法 因而PCM通信常称为时分多路通信 TDM原理 在时分制中 每一用户 如图中的第一路 第二路 在指定时间内接通信道 其他时间为别的用户按指定时间接通 为了使发端各路和收端各路能互相对应协调一致地工作 在发端需传送一个同步信号 利用同步控制信号来确保发端和收端协调工作 在时分多路通信中 总的时间如何确定呢 在这总的时间内可安排多少路呢 从话音模拟信号转换成数字信号的过程中可知 为确保接收端能将离散的数字信号还原成连续的模拟信号 取样频率需采用8000赫兹 即每隔125微秒取样一次 因此 就PCM的时分通信而言 是把125微秒时间分成许多小段落 每一路占一段时间 这时间称为时隙 显然 路数越多 每路的时隙越小 通常安排有24路 32路等 我国采用CCITT建议的PCM30 32制式为标准化的时分制多路传输系统的一次群 赫兹和马可尼 蜂窝系统 随着人类社会人际交往的日趋频繁 人们对通信提出了更高的要求 即要求不论处于静上状态还是移动状态 都能随时随地地进行通信 这种要求最先是由远航船舶的通信和遇险救援需要提出来的 船舶通信是最早出现的移动通信方式 它诞生在19世纪末 二次世界大战后 汽车日渐增多 号称 汽车王国 的美国 有车阶层便深感在行驶汽车里与外界隔绝之不便 于是很多人便开始研究汽车电话 1945年 汽车电话在美国问世 由于汽车拥有量的日渐增多 早期单区制的汽车移动电话系统已不敷应用 于是 1946年 美国的贝尔实验室便提出了将移动电话的服务区划分成若干个小区 每个小区设一个基站 构成蜂窝状系统的蜂窝移动通信新概念 1978年 这种系统在美国芝加哥试验获得成功 并于1983年正式投入商用 这是移动通信史上具有划时代意义的发明 一直到今天仍然为我们所采用 蜂窝系统 蜂窝系统的采用 使得相同的频率可以重复使用 从而大大增加了移动通信系统的容量 适应了移动通信用户骤增的客观需要 第一代蜂窝移动电话采用的是模拟技术 进入80年代后 欧美各国和日本相继开发数字蜂窝移动通信系统 此为第二代 数字系统不仅比模拟系统能获得更高的频谱利用率 而且还具有设备体积小 耗电省 安全保密以及能提供除话音通信以外的多种服务功能等优点 在数字系统中 以欧洲的GSM系统起步最早 模拟移动设备 频分多址是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道 或称信道 供不同的用户使用频道互不重叠 其宽度仅能传输一路话音或数据信息相邻信道无明显串扰一般情况是 基站的发射频率高 其接收频率低任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转无线广播第一代移动通信系统 GSM设备 时分多址是将每个频带信道分割成若干个时隙 时间片 然后把每个时隙再分配给每个用户方法 把时间分割成周期性的帧 每一帧再分割成若干个时隙无论是帧或时隙都是互不重叠的TDMA系统根据一定的时隙分配原则 使移动台和基站之间在每帧内只能按指定的时隙进行通信不同的移动台共用一个频率 但各个移动台占用的时间不同 即各移动台占用不同的 时隙 分时通信第二代移动通信系统 CDMA设备 码分多址通信系统中 不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分 而是用各自不同的编码序列来区分 或者说 靠信号的不同波形来区分 如果从频域或时域来观察 多个 信号是互相重叠的 接收机用相关器可以在多个 信号中选出其中使用预定码型的信号 其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调 它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰 通常称之为多址干扰 业务网络的发展 PSTN 公用电话交换网 PublicSwitchTelephoneNetwork 即我们日常生活中常用的电话网 PSTN是一种以模拟技术为基础的电路交换网络 在众多的广域网互连技术中 通过PSTN进行互连所要求的通信费用最低 但其数据传输质量及传输速度也最差 同时PSTN的网络资源利用率也比较低 通过PSTN可以实现的访问 拨号上Internet Intranet LAN 两个或多个LAN之间的网络互连 和其它广域网技术的互连尽管PSTN在进行数据传输时存在这样或那样的问题 但这是一种仍不可替代的联网介质 技术 特别是Bellcore发明的建立在PSTN基础之上的xDSL技术和产品的应用拓展了PSTN的发展和应用空间 使得联网速度可达到9Mbps 52Mbps之间 PSTN采用的技术PSTN提供的是一个模拟的专有通道 通道之间经由若干个电话交换机连接而成 当两个主机或路由器设备需要通过PSTN连接时 在两端的网络接入侧 即用户回路侧 必须使用调制解调器 Modem 实现信号的模 数 数 模转换 传统网络 传统PSTN五级结构智能化改造后的PSTN业务与控制分离SHLRSSP与SCP实现智能业务PLMN 智能化PSTN 过去由于业务单一 只有语音业务 每个TDM交换机内部都内置了一个业务处理模块 但大约在2003年左右 随着 预付费 彩铃 等智能业务需求的不断涌现 这种内置业务模块的方式弊病开始显现 由于生产交换机的厂家很多 各家内置的业务处理模块可能都不一样 这样即便在一个城市里也很难同时开展一个新业务 于是人们提出将这些业务模块外置并统一起来 而原有交换机只保留业务触发模块 这就是最初的网络智能化 也是TDM交换机的 第一次分裂 智能化PSTN 即便是这样 问题还是没有完全解决 此时引入的新的问题是 业务触发模块放哪里 如果将业务触发模块放在过去的每个端局 LE 当然是最好 但问题是每个城市这样的LE非常多 几十上百个 运营商购买的时间又比较早 很多都无法改造来支持智能业务触发 于是大家不得不将原来数量较少的汇接局 MS 进行改造 让它们成为独立的智能业务触发单元 SSP 这样新的智能业务触发难题终于解决了 软交换技术 软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关 传输层 中分离出来 通过软件实现基本呼叫控制功能 从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离 为控制 交换和软件可编程功能建立分离的平面 软交换主要提供连接控制 翻译和选路 网关管理 呼叫控制 带宽管理 信令 安全性和呼叫详细记录等功能 与此同时 软交换还将网络资源 网络能力封装起来 通过标准开放的业务接口和业务应用层相连 可方便地在网络上快速提供新的业务 软交换的概念最早起源于美国 当时在企业网络环境下 用户采用基于以太网的电话 通过一套基于 服务器的呼叫控制软件 CallManager CallServer 实现PBX功能 IPPBX 对于这样一套设备 系统不需单独铺设网络 而只通过与局域网共享就可实现管理与维护的统一 NGN NGN NextGenerationNetwork 即下一代通信网络 它是以软交换为核心的 能够提供包括语音 数据 视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放的网络架构 代表了通信网络发展的方向 NGN具有分组传送 控制功能从承载 呼叫 会话 应用 业务中分离 业务提供与网络分离 提供开放接口 利用各基本的业务组成模块 提供广泛的业务和应用 端到端QoS和透明的传输能力通过开放的接口规范与传统网络实现互通 通用移动性 允许用户自由地接入不同业务提供商 支持多样标志体系 融合固定与移动业务等等特征 NGN NGN是传统电信技术发展和演进的一个重要里程碑 从网络特征和网络发展上看 它源于传统智能网的业务和呼叫控制相分离的基本理念 并将承载网络分组化 用户接入多样化等网络技术思路在统一的网络体系结构下实现 因此 准确地说NGN并不是一场技术革命 而是一种网络体系的革命 它继承了现有电信技术的优势 以软交换为控制核心 以分组交换网络为传输平台 结合多种接入方式 包括固定网 移动网等 的网络体系 NGN与现有技术相比具有明显的优势 传输网络的发展 在通信网络中 交换网与传输网是一对紧密相连的伙伴 在整个通信网络的变迁中 它们也一直不离不弃携手前行 本文从阐述这对网络伙伴的发展史入手 逐步探索它们未来的演进方向 最初的交换网就如右图 图一 所示 从端局到汇接局采用 双汇接 模式组网 它可以防止汇接交换机单点失效对整个网络毁灭性打击 传输网络拓扑 传统传输技术 PDHSDH技术以其优越的特性 提供高速时分复用以节省光纤 提供50ms保护以提高网络可靠性 提供灵活的交叉调度以支持快速业务开通 提供强大的网管以支持远程维护与管理 等 逐渐统一了天下 成为一个为交换网提供配套服务的独立的网层 PSTN进行智能化改造后 由于业务触发在汇接局 因此所有通话都必须通过汇接局转接 既包括跨端局的业务 也包括那些原本在端局就可以终结的业务 传统SDH的局限 于是从传输的角度来看 大家发现从LE到MS的 汇聚层 传输压力猛增 于是这两年此方面的传输建设形成了一次 小爆炸 而且由于链路需求重新变成 汇聚型 所以SDH的保护变得越来越无足轻重 WDM WDM WavelengthDivisionMultiplexing 波分复用 是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术 每个信号经过数据 文本 语音 视频等 调制后都在它独有的色带内传输 WDM能使电话公司和其他运营商的现有光纤基础设施容量大增 制造商已推出了WDM系统 也叫DWDM 密集波分复用 系统 DWDM可以支持150多束不同波长的光波同时传输 每束光波最高达到10Gb s的数据传输率 这种系统能在一条比头发丝还细的光缆上提供超过1Tb s的数据传输率ASON和OXC OADM和波长路由器 新型传输概念 在网络IP化初期 人们只是想把交换机 包括MS和LE 拆开 把交换机中的呼叫控制模块 包括业务触发 独立出来 形成软交换 SS 而剩下的部分就变成了TG 移动网络叫MGW 在SS与TG之间 SS与SS之间 TG与TG之间开始是 光纤直连 后来又转而通过 IP承载网 承载 承载网 IP承载网仅仅是 交换网 它不能替代 传输网 也就是说 IP承载网 与 SDH承载网 实际不是可以对等类比的 按照OSI的七层通信模型 每一层都是上层的 承