信息技术（电子信息类）课件 现代通信技术

现代通信技术“新一代信息技术系列丛书信息技术（电子信息类）第四章01通信概述c一、通信的基本概念通信，指人与人、人与机、机与机通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方无论采用何种方法、何种媒介，将信息按要求准确、安全传输到收信方，实现信息的时/空转移。通信媒体可分为：如电子文本、电话声音、网络视频等；感觉媒体如mp3、mp4等编码器；表示媒体如显示器、电视机等；表现媒体如数字化存储设备；存储媒体如光缆、电缆、通信设备等通信设施。传输媒体通信媒体的分类通信概述二、通信技术的发展历程自19世纪初通信技术问世以来，其经历了100多年的发展，下表中给出了通信技术发展的重要事件。重要事件时间主要贡献者电报技术1837威廉·库克（WilliamCooke）、

塞缪尔·莫尔斯（SamuelMorse）电话技术1876亚历山大·贝尔（AlexanderBell）无线通信技术1896伽利尔摩·马可尼（GuglielmoMarcheseMarconi）、亚历山大·斯捷潘诺维奇·波波夫

（AlexanderStepanovichPopov）数据传输理论1928哈利·奈奎斯特（HarryNyquist）时分复用技术1937里夫斯（Reaves）数字通信理论（信噪比—传输速率）1948克劳德·艾尔伍德·香农（ClaudeElwoodShannon）光纤通信技术1966高锟表

通信技术发展的重要事件量子信息技术主要的两个应用方向是量子通信与量子计算机。量子通信被证明是无条件安全的通信方式，被认为是下一代通信领域的支撑性技术。“物联网”的概念是在1999年被提出的，物联网技术是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。贝尔实验室提出了蜂窝移动通信的设想，并于1978年成功研制出了第一代移动电话系统——类压式移动电话系统（AdvancedMobilePhoneSystem，AMPS）。电报技术电话技术无线通信技术数据传输理论时分复用技术数字通信理论通信概述二、通信技术的发展历程量子通信技术物联网技术移动通信技术光纤通信技术02信息传输信息传输一、通信系统的基本模型简单通信系统模型1模拟通信系统模型2数字通信系统模型3信源编码的目的就是减少信息冗余，进行信息压缩，实现更有效地传输，最常见的信源编码形式就是压缩编码。信源解码是信源编码的逆过程。信息传输二、模拟调制与解调在发送端，首先把要传输的模拟信号变换成适合长距离传输的调制信号，再进行传输，这个过程称为调制；在接收端，把接收的信号解调成原始电信号，这个过程称为解调。所谓数字调制，实际上是把0、1的数字信号进行变化，转换为正弦波的幅度、相位、频率的变化。解调的过程就是把正弦波的变换翻译成0、1形式的数字信号。三、数字调制与解调四、信源编码与解码在信息通信系统中，通常利用信道编码对数码流进行处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，有效避免误码的发生。信道解码是信道编码的逆过程。五、信道编码与解码03通信网络与协议通信网络与协议一、从简单通信到通信网络最初的通信是点对点进行的，用线路将两部电话或计算机进行连接就可以实现点对点通信。当用户规模增大后，需要建立交换网。也就是说，所有的设备不是直接互联，而是连接到一台交换设备（如交换机）上。一个完整的电信系统应由终端设备（如电话、计算机）、传输设备（包括线路）和交换设备三大部分组成。点对点通信交换机的出现电信系统的组成传统的电信网，按业务可分为：电话网、数据网、移动网、微波与卫星通信网等。现在的通信网，网络融合的趋势明显，因此，分类也就越来越综合了。通信网络与协议二、接入网技术与应用从水平方向的视角分析1按照与用户距离的远近，电信网可以划分为公共电信网和用户驻地网两部分。公共电信网又可以划分为接入网和核心网。接入网离用户相对较远，物权归通信运营商或内容服务商所有，接入网属于电信运营商或服务商，一般包含用于完成用户间通信的各种机线设备。（3）核心网作为电信网的核心，是数据交换、转发、接续和路由的网络部分。用户驻地网一般靠近用户，通常是指在一栋建筑物内，完成用户通信和控制功能的用户驻地布线系统，物权归用户所有。从水平方向的视角来看，接入网一般位于用户驻地网和核心网之间，是整个公共电信网的边缘部分，也是公共电信网中距离用户最近的部分，一般通过光纤或无线形式将用户汇接到电信核心网中。通信网络与协议二、接入网技术与应用从垂直方向的视角分析2从垂直方向（实现的功能）的视角来看，电信网自上而下可分成应用层、业务层、核心层和传送层，支撑网保障各层次功能的正常运转。应用层是利用各种业务网络实现信息服务的网络。业务层是基于核心层实现各种业务的网络。核心层是基于传送层（承载网）的传输功能实现用户驻地网和业务网络之间的连接，其主要实现的是数据交换、电路交换等功能。传送层主要实现业务信息的传输和承载。传统电话接入网实现本地电话业务节点到用户驻地网之间的信息传输。用于接入数据业务的IP接入网，除了具备传输功能，还具备部分交换功能，位于电信网的传送层和核心层。通信网络与协议三、通信协议和标准制定机构通信协议是通信双方进行通信所必须遵循的规则和约定，其中语法、语义、时序被称为通信协议的3个组成要素。确定数据与控制信息的结构或格式，主要解决怎么讲的问题。指控制信息的含义和需要做出的动作及响应，描述讲什么的问题。规定了动作的顺序，说明什么时候做及动作的先后顺序问题。语法语法语法最典型的通信协议就是OSI七层协议，每层负责完成本层规定的功能，直接为上层提供服务，并且所有层次都互相支持，它奠定了今天以IP为基础的开放的互联网络。04固定电话通信固定电话通信一、固定电话通信过程（1）当电话用户摘机时，主叫用户的摘机信号发送到发送端的电话交换机（简称发端交换机）。（2）发送端的电话交换机收到用户摘机信号后，立即向主叫用户回送拨号音。（3）主叫用户听到拨号音后开始拨号，并将被叫用户的电话号码发送给发送端的电话交换机。（4）发送端的电话交换机根据被叫用户的电话号码选择局向及中继线，并在选好的中继线上向接收端的电话交换机发送占用信号，同时把被叫用户的电话号码发送给接收端的电话交换机。（5）接收端的电话交换机根据被叫用户的电话号码，呼叫并连接到被叫用户，并向被叫用户电话发送振铃信号，同时向主叫用户电话发送回铃音信号。固定电话通信一、固定电话通信过程（6）当被叫用户摘机应答时，接收端的电话交换机收到应答信号，并将应答信号转发给发送端的电话交换机。（7）主叫用户与被叫用户进入通话状态，此时线路上传输话音信号，计费系统开始计时。（8）通话结束，任意一方挂机，交换机发送拆线信号。（9）接收端的电话交换机拆线后，同时回送一个拆线证实信号，线路与设备复原，计费结束。固定电话通信二、固定电话业务固定电话业务可分为本地电话业务、长途电话业务、特殊号码业务、被叫集中付费业务和主被叫分摊付费业务。123本地电话业务：本地电话业务是指在同一个长途编号区内电话用户相互通话的电信业务。用户拨打本地电话不加长途区号，直接拨打被叫用户电话号码即可。长途电话业务：长途电话业务是指处于两个不同长途编号区内的电话用户，利用电话进行信息交换的一种通信方式，通过话音交换实现信息的双向交流。特殊号码业务：特殊号码，是电信部门为方便服务大众而设立的电话号码，其中一些重要的电话号码是完全免费的。4被叫集中付费业务：被叫集中付费业务简称800号业务，是指当主叫用户拨打800业务号码时，即可接通到由被叫用户（企业）指定的电话号码或呼叫中心。5主被叫分摊付费业务：主被叫分摊付费业务简称400号业务，它可以为被叫用户提供一个全国通用的服务号码，当主叫用户呼叫这个号码时，交换机将接至被叫用户指定（规定）的目的地（电话号码或呼叫中心）。固定电话通信三、固定电话网的发展与演变我国的电话网采用的是等级结构。电话网的等级结构是指把全网的交换局划分成若干个等级，低等级的交换局与管辖它的高等级交换局相连，形成多层级汇接辐射的网络结构（星形网）；最高等级的交换局（如核心网交换局）间通过复合网或网状网相互连接。我国的电话网设有3个国际出口局，分别在北京、上海和广州。1.电话网的等级结构长途网。我国早期的固定电话网采用的是五级结构，其中长途网分为四级。本地网。本地网的网络结构一般设置汇接局（Tm）和端局（C5）两个等级。汇接局（Tm）具体分为市话汇接局、郊区汇接局、农话汇接局等；端局（C5）被称为五级交换中心，也就是本地网的端局。2.我国早期电话网的五级结构随着光纤通信和交换技术的发展，其传输的距离、处理的能力不断增加，我国电话网的等级数也逐渐减少。长途网。长途网由原来的四级（C1、C2、C3、C4）压缩成为两级长途交换中心（DC1、DC2），形成省际平面和省内平面。本地网。本地网一般是由汇接局（DTm）和端局（DL）构成的两级结构。3.我国现代电话网的三级结构05数据通信数据通信一、数据通信的概念数据通信就是传输数据信息的通信方式。数据通信是按照一定的规则（协议）进行的，通信双方必须遵守约定的协议标准，这样才能实现有效的数据通信。数据的传输形式可以通过模拟信号或数字信号传输。数据通信的定义是：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传输数据信息。二、数据交换数据通信数据交换的基础是分组交换，要理解数据交换技术必须先理解分组交换的思想。分组交换分组交换的原理将数据信息分割成若干个数据段，加上分组头，形成分组数据包，以存储转发的方式传输到接收端，再把这些分组数据包组合还原成原来的数据信息。信息以分组数据包为单位进行存储转发。源节点把需要传输的报文分为若干个分组数据包，在中间节点存储转发，目的节点再按发送端的顺序把接收到的分组数据包合并为报文。分组交换原理示意三、数据通信网数据通信按照网络覆盖范围，数据通信网分为数据通信网是一个由分布在各地的数据交换设备、数据传输链路和数据终端设备形成的通信网络，可以在数据通信协议的支持下，实现数据终端之间的数据传输与交换。12局域网局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是指在一定范围的区域内由多台数据终端（如计算机）形成的网络。局域网一般是封闭式的，范围在几千米以内。广域网广域网（WideAreaNetwork，WAN）是一种覆盖范围广的数据网络的集合，通常跨越省、市，甚至一个国家。广域网可以包括各种不同的子网，例如，城域网就是一种广域网。典型的数据通信网四、数据通信技术与互联网的发展数据通信早期的数据通信是在模拟网络环境下进行的。20世纪60年代，人们采用专线或拨号上网，当时的速率只有1～9kbit/s。随着互联网的发展，在计算机网络领域中占据主导地位的IP技术使数据通信网呈现IP化的发展趋势。数据通信技术的发展1互联网的发展2互联网（Internet）是通过全球唯一的IP地址（每台设备都有一个IP地址）连接起来的。这个唯一的地址空间是基于互联网协议（IP）和相关的扩展协议的。我国的互联网是从20世纪90年代后期开始的，发展到现在，已遍布城乡、农村各个角落。中国互联网发展的四大阶段3学术牵引期探索成长期快速发展期成熟繁荣期数据通信五、IP地址01020304IP地址：互联网协议地址（InternetProtocolAddress，IPAddress）。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，在数据通信网中的每一个网络和设备都要分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址（MAC地址）的差异。IP地址的定义IPv6的地址长度是128位，是IPv4地址长度的4倍。与IPv4地址不同，IPv6地址采用十六进制表示。IPv6地址的基本类型分为:单播地址、多播地址、任播地址。IPv6域名解析就是把用户输入的域名翻译成对应的IP地址，指向网站空间对应的IP。将好记的域名解析成用数字表示的IP地址，这个工作由域名系统服务器来完成。域名解析IP地址由4部分数字组成，每一部分的数字对应8位二进制数，各部分之间用小数点分开。IPv4地址具体又分为A类、B类、C类、D类和E类共5类地址。不同的类适用于不同规模的网络

IPv406移动通信一、移动通信的概念与特点移动通信移动通信是最常用的一种通信方式，包括：移动体之间或移动体与固定体之间的通信。常用的移动通信系统有航空航天通信系统、航海通信系统、卫星移动通信系统和陆地移动通信系统等。移动通信的特点电磁波的传播具有多径效应。移动通信是通过电磁波进行信息传输的，而电磁波的传播具有多径效应的特点。移动通信是在强干扰环境下工作的。在移动通信系统中，当众多用户同时利用无线电波传递信号时，他们通常面临一个充斥着各种干扰的工作环境。移动通信具有多普勒效应。处于移动状态的移动台与基站之间的通信会产生多普勒频移，影响接收端的接收频率。（1）（2）（3）用户在经常地移动。用户经常的位置移动对移动网络的管理造成影响，使移动通信系统比较复杂。（4）二、多址技术移动通信频分多址频分多址是指把通信系统的总频段划分成若干个互不重叠的频道，将不同的频率分配给不同的用户使用，如图4-36所示。频分多址为每个用户分配一个频率，因此频率利用率低。时分多址时分多址是指把时间分割成一个个时间周期用于传输周期性的帧。时分多址的优点是同一频率可供多个移动台同时进行通信，频率利用率比较高；缺点是需要网络同步，实现复杂。码分多址码分多址是指各发送端采用各自不同的、相互正交的地址码来调制信号，在接收端利用码型的正交性，从混合信号中通过计算取出各自的信号在移动通信系统中，为节省资源，通常需要多个用户共享信道，由此产生了多址技术，用于区分不同的用户。常用的多址方式有3种：频分多址、时分多址和码分多址。三、从1G到5G的发展移动通信蜂窝移动通信技术经过1G、2G、3G、4G和5G发展阶段，显示了移动通信代际演进的规律。5G让我们体会到了虚拟现实、全息成像、自动驾驶、车联网、智慧城市、智慧医疗等带来的全新感受。四、移动通信网络架构的演进移动通信4G的网络架构是基于全IP的结构，电路域消失，取而代之的是IP多媒体系统，实现控制与承载分离，网络结构向扁平化方向发展。4G网络架构5G网络架构颠覆了传统的移动通信网络架构，它采用基于服务的结构，网络建设就是资源池的建设，而网元是在资源池的基础上虚拟出来的，接入网和核心网的分离变模糊了。3G网络架构在2G网络架构以电路为主的核心网上，增加了分组域。3G网络架构2G时代，移动通信网络以语言通信为主，核心网以电路交换为主。2G网络架构2G网络架构3G网络架构4G网络架构5G网络架构3G网络架构移动通信移动通信业务按通信方式可分为移动电话业务、无线寻呼业务、集群移动通信业务、无绳电话业务等。五、移动通信业务01020304移动电话业务是一种利用移动终端通过基站和移动交换设备进行通话的业务，通过移动网与公用电话网连接，可以与各类电话用户进行通话。移动电话业务集群移动通信业务是一种为了特定的行业群体设计的通信解决方案，该系统便于在紧急情况和日常操作中进行有效生产指挥、工作联系及信息交换。集群移动通信业务20世纪90年代，无线寻呼业务是流行的一种通信业务，现在已经消亡。无线寻呼业务是一种单向的通信业务，用户通过寻呼台可以传输简单的文字信息。无线寻呼业务无绳电话业务是采用无线信道代替电话线的电话通信系统，使用户可在限定的范围（一般几百米）内实现无线通话的业务。无绳电话业务移动通信六、移动终端的发展变迁移动终端从只能打电话，到可以发短信、能上网，发展到现在的移动智能终端，经历了30多年的发展与演进。手机经历了从模拟到数字、从有天线到无天线、从黑白到彩色、从按键式到触摸式、从单一功能到多功能、从手持到可穿戴、从电话到智能终端的转变。移动终端的发展变迁移动通信七、5G赋能行业应用5G的应用场景

5G的应用与传统的移动通信技术不同，5G网络可以利用网络切片技术为不同的应用场景建立不同的网络平台，满足不同的业务对带宽、时延、速率和接入数等的需求。常用的5G应用场景有以下几种。5G的应用遍布我们生活的方方面面，包括医、食、住、行；5G的行业应用正在深刻影响着各行各业，01增强移动宽带02海量机器类通信03超高可靠和低时延通信包括工业、农业、教育、服务业、安防、交通、医疗、家庭、军事等。07光纤通信光纤通信一、光纤通信系统数字光纤通信系统有光发送、传输和光接收3个部分，具体包括电端机、光端机、光缆、中继器等。数字光纤通信系统的组成示意图将电信号转换成光信号并发送出去，由电端机和光端机两部分组成。光发送部分传输光信号的介质。光传输部分接收光信号，并将其转换成电信号。光接收部分光纤通信二、光纤通信与传输承载网SDH早期的光纤通信采用的是同步数字体系（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）技术，根据传输设备在网络中功能的不同，可具体分为：终端复用设备、数字交叉连接设备、分/插复用设备和再生中继设备。OTN基于光传送网（OpticalTransportNetwork，OTN）是在SDH之后，发展起来的新型光纤通信系统。OTN技术可支持3种类型的光路层连接：基于单向点到点、双向点到点、单向点到多点。WDM波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）就是让不同波长的光信号在同一根物理光纤上传输，达到增加传输容量的目的PTN分组传送网（PacketTransportNetwork，PTN）是以分组传送为基础、以分组交换为核心，可支持多业务承载，具有完善的保护机制和操作维护管理功能，PTN技术是面向端到端连接的传送技术。光纤通信三、光传输技术的发展世界光纤通信发展历程中的里程碑事件:1960年，西奥多·哈罗德·梅曼发明第一台红宝石激光器，为远距离传输光信号提供了光源解决方案。1966年，高锟提出SiO2光纤传输信息的可行性，被誉为“世界光纤之父”。1970年，美国康宁公司研制出世界上第一根单模光纤（衰减达到20

dB/km）。1976—1977年，经过了10多年的发展，光纤损耗降低到4

dB/km，半导体激光器（光源）的寿命达到106h，自此，光源与光纤的问题解决了，各种光纤通信系统相继出现。1988年，发达国家开始建设大西洋、太平洋等海底光缆系统。我国光纤通信的发展可追溯到20世纪70年代。我国科技人员不畏艰险，克服了重重障碍，实现了从跟随到引领的超越。下面简述我国光纤通信发展历程中的里程碑事件。1977年，第一根石英光纤出现，长度为17m。1978年，北京、上海、武汉和桂林分别研制出光纤通信试验系统。1984年，首个市话中继光传输系统建成。1999年，我国形成了“八纵八横”的电信干线网。2005年，建成上海到杭州的3.2Tbit/s超大容量的光纤通信系统。08微波和卫星通信微波和卫星通信一、微波通信微波的频段划分微波中继通信整个电磁频谱包含了从无线电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。根据不同频率特性，我们把它们分别命名为无线电波、红外线、可见光、紫外线、χ外线、γ射线和宇宙射线等。微波中继通信是利用微波作为载波，采用微波中继（接力）方式在地面上进行的无线传输的通信。微波中继通信可以用来传输电话信号、数据信号。微波的频段示意微波中继通信示意微波和卫星通信二、卫星通信卫星通信是将人造地球卫星作为信息中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地面站之间进行通信。卫星通信系统可分为同步卫星通信系统和异步卫星通信系统。1970年4月24日，我国发射了自主研发的第一颗人造地球卫星“东方红一号”，使中国成为世界上继苏联（1957年）、美国（1958年）、法国（1965年）和日本（1970年）之后，第五个自主发射人造卫星的国家。2013年12月，我国自主研制的“嫦娥三号”探测器登月成功，开启了我国地外天体软着陆的先河。三、微波和卫星通信的应用一些常见的应用卫星电视应急通信偏远地区通信微波和卫星通信广泛应用在电视转播、应急通信、电报和数据等场合。微波和卫星通信的应用领域不断扩大，除广播电视、应急通信、金融服务、移动通信、气象服务等部门外，其在远程教育、远程医疗、位置定位与导航等方面的应用正在迅速发展。卫星移动通信卫星定位系统09量子通信量子通信2016年，我国发射了“墨子号”卫星，这是世界上首颗量子卫星。“墨子号”的任务就是利用粒子的量子特性，进行星地高速量子密钥分发试验，在宇宙空间的尺度上进行量子纠缠分发和量子隐形传输实验。由于量子通信具有不可窃听、不可破译、安全可靠等特点，能够保证数据在传输过程中的安全性和可控性。所以量子通信可从根本上解决军事国防、金融服务、政务管理、商贸交易等领域的信息安全问题。构建全国乃至全球范围的广域量子通信网络体系是展量子通信技术的最终目标。广域量子通信网络是我国在量子通信领域部署的重大战略性科技任务。量子通信的应用2016年8月，我国“墨子号”量子卫星成功发射。2017年9月，中华人民共和国国家发展和改革委员会(以下简称国家