B1-计算机网络通信技术

信息时代与现代通信

n走向以信息技术为核心的知识经济时代，这

就是所谓的信息时代。人类从石器时代到农

业时代，经历了多少万年，从农业时代到工

业时代经历了几千年，从工业时代到信息时

代经历了近百年。直到20世纪末，人类逐渐

把计算机技术作为工具使用。特别是它与数

字通信融合发展到现代通信。使信息技术飞

跃发展，信息技术深入、广泛应用成为这个

时代的主要标志。

通信的基本概念与分类

n什么是通信？

-通信就是信息的传递

n通信的分类

-古代通信

-近代通信

-现代通信

在远古时候，我们的祖

先就已经能够在一定范

围内借助于呼叫、打手

势或采取以物示意的办

法来相互传递一些简单

的信息，至今在我们的

生活中仍然能找到这些

方式的影子，如旗语

（通过各色旗子的舞

动），号角、灯塔、喇

叭、击鼓敲锣、风筝、

图1烽火通信遗址

信号树、信鸽等。

电信技术的发展历史

1835年1876年1895年

电报诞生电话诞生线电报机诞

微电子技术发展1946年1918年

1948年晶体管研制成工

计算机出E波通信出

20世纪60年代20世纪60年代

数字通信发展

光纤技术发展动通信出壬

20世纪末

各种技术发展与融合

用户数量暴涨、业务需求剧增

发展新机遇、新挑战

通信技术发展简史

1838莫尔斯有线电报1948晶体管香农IT通信统计理论建立

1864麦克斯韦电磁辐射方程1950时分多路通信应用于电话

1876贝尔电话1956越洋电话铺设

1896马克尼无线电报1957第一颗人造卫星发射

1906真空管1958第一颗通信卫星发射

1918调幅广播超外差接收机1960发明激光

1925三路明线载波电话多路通信1961发明集成电路

1936调频广播1962第一颗同步通信卫星PCM进入实用

1937脉冲编码调制1960彩电数字传输理论高速计算机

1938电视广播1970LSI商用卫星程控交换光纤通信

1940二战刺激雷达和微波系统发1980SL8I长波光纤通信ISDN3G

展

近代通信

塞缪尔•莫尔斯(SamuelFinleyBreese

Morse,1791-1872),作为一名画家是成功的。

莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画

方面成了当时公认的一流画家。1826年至1842年

任美国画家协会主席。

他在1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报

机。

1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅

里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时

间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助

手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝创造了何等的奇迹!”

n在1896年德国建立了电报局如图所示。

n图1896年德国柏林中央电报局

n1876年，亚历山大格雷厄姆贝尔利用电磁感

应原理发明了电话，预示着个人通信时代的

开始，如图所示。

n贝尔及其发明的电话机

贝尔第一部话机结构示意图

把声音信号转换成电信号，利用金属导线作媒介

n最初的电话通讯只能在固定的两部电

话机之间进行

n固定的两部电话机之间的通话显然不能

满足人们的需要，人们希望有选择地与

对方通话，由此想到建立一个人工电话

交换站。

n1879年，第一个专用人工电话交换系统投入

运行。1882年2月，丹麦大北电报公司在上

海外滩扬于天路办起我国第一个电话局，用

户好家—一二------

交换机的发展

经历了三个阶段：

一、人工交换机阶段

二、机电式自动交换机阶段

三、电子式自动交换机阶段

*

・程控交换机是存储程序控制交换机的

简称，记作SPC(StoredProgram

Contro1)o

•把电话交换机各种控制功能按步骤编

成程序存入存储器，利用存储器内所

存的程序来控制整个交换机工作。

电话交换机

从人工交换到自动交换

从模拟走向数字

模拟信号与数字信号

n通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号（或光信号）

才能进行传输

n电（或光）信号有两种形式：

-模拟信号形式：通过连续变化的物

理量（如信号的幅度）来表示信

息，例如人们打电话或者播音员播

音时声音经话筒（麦克风）转换得到模拟信号

的电信号；

信号

-数字信号形式：使用有限个状态“强度

OofTTIonioooR

（一般是2个状态）来表示（编码）

信息，例如电报机、传真机和计算数字信号

机发出的信号都是数字信号

传统模拟电话网

对电信网的描述

n从连接方式上看(水平方向)

一用户驻地网CPN(ConsumerPremisesNetwork)

-接入网AN(AccessNetwork)

-核心网CN(CoreNetwork)

用户用户

接入网核心网

驻型网接入网驻地网

将用户接入到核心交换与传输部分。

用户终端组成

网的部分。包含交换、中继和

的网络。

如：用户环路(用长途网功能

如：电话机、户到交换机之间的

计算机等线路与设施)

PSTN（公用电路交换网）结构示意图

卫星通道

用户专用

m小型交换机

市话

交换机

长话局

交换机

微波中继信道

光纤信道

带宽电皴信道

长市

中继线_

市内.

中继线i

用户线用户缓

PSTN网络的基本系统结构不意图

公共交换电话网络

(PublicSwitched

Telephone

Network)

公众交换电话网的要素（PSTN）

客户驻地设备

Handset

PSTN

公众交换电话网的要素（PSTN）

该接入系统由提供给客户的

接入线路组成（称为本地环路）

和终端设备在端局

（最接近的电信局）。

卜卜卜

2.2.

接入线路接入线路

（本地环路）（本地环路）

端局（5级）

公众交换电话网的要素（PSTN）

3o核心传输网

r

L了

zr

_r\

z_

_r口

PSTN的元素

n电话公司交换机

通信传输介质

2电缆通信与微波中继通信

是较早发展起来的通信手段，用于长途

通信已有60年历史，在有线通信中占有突出地位。

是20世纪60年代发展的，它弥补了

电缆通信的缺点。

微波站中继站微波站

微波通信系统示意图

一般的，物理介质可大致分为有线介质（铜

线和光纤）和无线介质（电波和光波）。

有线介质是最常用也最简便的通信介质，一

直有大量的铜线和光纤应用于电话系统中。在广

域网领域，利用现成的电话系统线路进行通信传

输几乎是最实际也最简便的方式，而在局域网领

域，利用改进的专用线缆进行通信传输也简便易

行。常见的有线介质有双绞线、同轴电缆、

光纤等。

非屏蔽双较线接线

n2.同轴电缆

n由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴

线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间

用绝缘材料隔开。同轴电缆大量用于有线电视

网。

外绝缘层

光纤通信:

1、什么是光纤、光缆？

光纤:光纤是光导纤维的简称，由直径大约为0.1

mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比头发

丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传

播的导波结构。

光缆:光导纤维电缆由一捆纤维组成,简称为光缆。

基本上都由缆芯、加强元件和护层三部分组成。

光纤和同轴电缆外形相似只是没有网状屏蔽层，光

纤由纤芯、封套及外套组成。纤芯由一玻璃或塑料组

成，封套是玻璃的，使光信号可以反射回去，沿着光

纤进行传输，外套则由塑料组成，用于防止外界的伤

害和干扰。

封套（玻璃）

芯（玻璃）远供电源线

外套（塑料）

光纤及其包层

填充物

加强芯

包带层

（a）单根光纤的侧视图（b）一束四芯光纤的剖面图

光纤

传输

o

光纤通信的发展与应用

n从上世纪80年代起，世界各国开始大规模铺设光纤

通信线路，光纤传输网已经成为几乎所有现代通信

的基础平台

n高速光纤数字传输线路采用统一的国际标准，称为

同步数字系列(SDH),又称为同步光纤网

(SONET),它既是电话和有线电视的骨干传输网，

又是计算机网络的骨干网

无线上网：从此走向自由之路

长程无线卫星网络包括卫星通信系统，GPS定位系统

网络技等

术

中程无线移动通信网包括GSM、GPRS、3G以及PHS在

网络技络内的已种广泛应用或止在发展中

术的各种无线通信系统

短程无线无线局域网提供组织内部通信和信息资源的无

网络技线访问

术蓝牙技木实现小范围内数字设备的无线通信

红外技术低成本、跨平台、点对点高速数据

连接

RF技术非接触式射频识别技术

无线传输

无线介质可以不使用电或光导体进

行电磁信号的传递工作。无线传输包括

卫星通信、微波通信和移动通信三类

电磁波的种类与频率范围

无线电波：104〜10"(Hz)

中波：(MHz)

0.3〜3无线广播

短波：3〜30(MHz)

超短波：30〜300(MHz)电视、通信

微波：0.3〜300(GHz)

红外线：10"〜1014(Hz)

通信

可见光：1014(Hz)

紫外线：1014〜1016(Hz)

微波通信

n微波：300MHz〜300GHz范围内

的电磁波，波长为1m〜1mm

n特点：

-直线传播，不能沿地

球表面传播(无绕射

性)，需要每隔几十公

里设立一个中继站

-容量大、可靠性高

-建设费用低

-抗灾能力强

n应用：长途电话、蜂窝移

动电话、全数字高清晰度

电视(HDTV)等

卫星通信

n卫星通信：中继站在人造地球卫星

上的一种微波通信

-优点：通信距离远、频带宽、容量大、

抗干扰强、通信稳定

-缺点：造价高、技术复杂、有较大延时

赤道上方高度为35800公里的地方为

,卫星的运行周期与地球自转一圈的

周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不

动。一颗同步轨道卫星覆盖约120。，3颗

同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部

面积，进行二十四小时的全天候通信

卫星通信

I气象卫星、导航卫星、通信卫星、地球资源卫

星。

I今天，部分国际通信和全部的国际电视转播都是

由这些卫星和相应的地面设备完成的。

I最早提出用同步卫星进行通信设想的人是英国科

学家阿瑟C克拉克。

I1945年10月他大胆地提出这个设想。

三颗同步卫星可把地球表面除极地以外的地区覆

盖，实现全球通信。覆盖区域如图：

覆盖

覆盖盲区

每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区,

北两极地区则为盲区。目前正在使用的国际通信卫星

系统就是按这个原理建立的,其卫星分别位于大西洋、

卫星通信的重要应用GPS

n例——美国研制GPS系统

-24颗卫星在1.2万公里高空以12小时的=12

周期绕地球运行

-地面任意点在任何时刻都可同时观测

至U4颗以上卫星

n原理：

-由于卫星的位置是精确可知的，通过

地面接收机可测得与卫星的距离，利

用三维坐标中的距离计算公式，就可

以推导出接收机的地理位置（经度、纬

度和高程）

定位精度：

-民用大约几十米

I1957年10月4日，前苏联第一颗人造卫星发送成

功；

II960年8月，美国发送回声1号气球卫星，到1600

公里高度。

I1962年发射了中继1号人造卫星，转年完成横跨

大西洋的日美间电视转播。

I1964年8月世界上第一颗同步3号卫星发射成功，

10月，这颗卫星把东京奥运会比赛的电视实况传

送到美国。

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militaryadt.elliteA't2一星navigat.ionsotel1xt；e

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星

中国的葫一颗人造地球卫星“东方红”1号

移动通信

(1)什么是移动通信

(2)移动通信原理

(3)第2代和第3代移动通信

什么是移动通信？

n处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系

统等

mobiletelephone

switchingotlice

(MISO)publicswitched

telephonenetwork

r

camngparty

移动电in

话交换___I

中心公用电话网

基站caiteaparty

移动台

（手机）

蜂窝电话

nCellsites

蜂窝电话

隹蜂窝技术中，把该区域分为小蜂窝

在每一个蜂窝中，cells让e服务

该蜂窝内的所有手机。

蜂窝移动通信原理

n每的区域称为单元（形似

蜂窝），单元的中央建有一个基站，

该单元内所有手机都向该基站发送信

号并接收基站发给的信号

n所有单元既相互分割，又彼此有所交

叠，连成整个移动通信服务网n每个蜂窝单元中有

n所有基站都通过微波或电缆、光缆与多个信道（GSM）。

移动交换中心通信n相邻单元不允许使用

n手机每个时刻都处于某个特定单元的相同的频率，不相邻

基站控制之下，通话时使用两个频率单元的频率允许重用

（一个上行频率，一个下行频率），

同一单元内同一时刻的不同手机使用

不同的频率进行通信，相互不影响

第二代

n传输的是数字化的语音/文字信号

n使用频段：900MHz/1800MHz

n我国使用的2种标准：

-GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统）

n中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖，接入号有

139〜135、130

n采用频分多路复用技术（分为124个上下行信道）和时分多路复用

（每个信道8个连接），每个蜂窝理论上支持992个连接，实际上可

有200多个

-DMA（码分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess）

n所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传

输，但它们分别采用不同的编码原理加以区分，即CDMA给每

一手机分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信

息的信号迸行编码

nit干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，

第三代

n第2代移动通信的不足：

(1)数据传输速率过低(9.6kb/s或57kb/s)

(2)容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。

(3)不能实现覆盖全球的无缝连接

n第3代移动通信技术(简称3G)的目标：

(1)全球漫游

(2)适应多种环境，地面移动通信与卫星移动通信相结合

(3)提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信

(4)提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务

n技术：

-频谱：1885MHz~2025MHz,2110MHz-2200MHz

-传输速率：室内：2Mb/s,步行：384kb/s,快速移动：

114kb/s

-标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址

接入)

移动通信技术的发展历程

WiMAX

3破术演进简介

DORev.BLBC

（多载波）

DODL:100Mbps-1Gbps

DL:2.4MbpsDL:46.5MbpsUL:50-100Mbps

UL:153.6kbpsUL:27Mbps

CDMA2000无线移动技术标准演进路线

呢

WCDMA无线移动技术标准演进路线睇

P8

FDD骋3ff曲i

LTE"q

DL:100MbpsAH

UL:50Mbpss

-福

s袋

TD-SCDMA无线移动技术标准演进路线生

384kb/s

WiMAX宽带无线演进路线

802.16e

4-70Mbps1Gbps

2001-2005।

2006-20072008-2010

3GPPLTE概述

两种模式：TDD-LTE和FDD-LTE)

LTE是英文LongTerm

Evolution的缩写，始于2004年

3Gpp的多伦多会议。LTE也被通

俗的称为3.9G,被视作从3G向

4G演进的主流技术。

LTE：更高性能，更低成本

220kbpsDL750ms

移动性

吞吐量延迟1乂字节■成本*

漫游

Source:AnalysisResearch,2006

下一代移动通信技术简介

04G是第四带移动通信及技术的简称，是集3G与

WLAN于一体并能传输高质量视频图像，以及图像传

输质量与高清晰电视不相上下的技术产品。

04G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信

技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动

装置无线访问互联网的速度。

0ITU对4G要求的峰值速率为：（1）低速移动、热点

覆盖场景下1Gb巾s以上。（2）高速移动、广域覆盖场景

T100Mbit/So

4G标准

2009年，ITU已完成4G标准候选技术的征集，共收

到6个4G标准候选提案，分别来自中国、日本、韩国、

欧洲标准化组织3Gpp和北美标准化组织IEEE,这些提案

涵盖了LTE-Advanced和802.16m两种技术。中国提交的

技术为TD-LTE-Advanced,3Gp唯交的LTE-Advanced技

术了包括FDD和TDD模式，IEEE提交的贝ij是802.16m,

日本提交的提案涵盖LTE-Advanced和802.16m,韩国提

交的是802.16m。

现代电话通信网络

地

地

球

球

站

站

年

市

数

数

微

微

字

内

字

途

波

波

多

交

多

发

设

路

设

换

,路

设

设

设

备

俊

备

/

备

备

备

备

光

光

传

传

移

输

输

基动

终

终

站交光再生中继设备

端

端

换（光放大器）

设

设

基设