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1、通信基础知识第一章 概 述通信的目的是为了信息的传递。携带信息的信号可分为模拟信号（如话音）和数字信号（计算机输出的信号）。信息的传递由通信系统来完成。1.1 通信系统的组成通信系统由硬件和软件组成。硬件包括终端、传输和交换三大部分。 终端：包括普通电话、移动电话、计算机、数据终端、可视电话、会议电视终端等。 传输系统：信息传递的通道，一般叫信道。 交换系统：完成接入交换节点链路的汇集、转接和分配。 通信系统软件：为能更好完成信息的传递和转接交换所必须的一整套协议、标准，包括网络结构、网内信令、协议和借口以及技术体制、接口标准等。 区分交换和传输的概念，有助于我们对一些概念的理解。但随着通信的

2、发展，它们之间的界限越来越不明显，很多新的标准已经把传输和交换融合到一起。注释1.2 通信系统的分类按照系统所传输的信号来分类，则系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。 模拟通信系统：用模拟信号传递消息的系统。 数字通信系统：用数字信号传递消息的系统。由于光纤通信的普及和集成工艺的发展，数字通信系统具有抗干扰能力强，数字信号可再生，可综合各种业务，便于和计算机系统连接，易于集成等优点，所以逐渐取代了模拟通信系统。1.3 标准化组织标准可以被看作是将不同厂商制造的硬件和软件连接起来以便协调工作的“粘接剂”。在美国和其他许多国家，全国的标准化组织定义了多种物理特性和操作特性的规范，以便厂商生产与通

3、信公司的线路设施及其他制造商的产品兼容的设备。在全球范围内，标准化组织颁布了一系列与通信有关的建议。这些建议虽不是强制性的，但在全球的通信设备和设施的开发过程中具有很强的影响力，并已被数百个大型企业和通信公司采纳。下面介绍几个重要的组织。1 ITU ITUInternational Telecommunications Union国际电信联盟。ITU的前身是CCITT（国际电报电话咨询委员会），1994年更名，它由联合国的一个机构主办，属政府间组织。总部设在日内瓦，直接负责制定数据通信标准，由15个工作组组成。ITU-T是其电信标准局。2 ISO ISOInternational Organi

4、zation for Standardization国际标准化组织。它是联合国经济和社会理事会下的咨询性非政府组织。3 ANSI ANSIAmerican National Standars Institute美国国家标准化组织。它是美国最主要的标准制定机构，是非营利性非政府组织。4 IEEE IEEEInstitute of Electrical and Electronic Engineers电气和电子工程师协会。它是美国的工程师社团组织。第二章 传输基础知识2.1 传输基本概念1. 信道信道一般分为模拟信道和数字信道。模拟信道传输模拟信号；数字信道传输数字信号。 模拟信号的传输在模拟信道

5、上的传输一般为实线传输或频分多路复用。模拟信号数字化为数字信号便可以在数字信道上传输。 数字信号的传输 数据传输是一种特殊的数字信号传输，它是计算机终端之间的通信。数据传输模型如图所示。DTE为数据终端设备，对数据进行处理。DCE是数据通信设备，如MODEM等。数字信号在这两种信道上传输，不同的传输信道采用不同的信号变换设备。对模拟信道，变换设备为MODEM，把数字信号变为模拟信号再传输。对数字信道，信号变换器即接口设备，其作用是实现信号码型与电平的转换等。 注释2. 数据传输方式 并行传输数据的每一位在多条并行信道上同时传输，传输速率较高，但并行信道实现较为困难，不适合远距离传输。 串行传输

6、数据流以串行方式在一条信道上传输，为了在收方识别发方信息，需要保持发、收方信号同步。这种方式易于实现，经济适用。所以大部分采用串行通信。3. 数据同步方式同步系统是数字通信系统的重要主成部分，同步是将通信系统的发送端和接收端的收发信息的时间统一在规定的时间节拍内，使收发系统步调一致。 异步传输以字符为单位实现同步，也称位同步。该种方式需要在每个字符前后加起止位，故不要求双方时钟严格同步，但开销大，效率低。 同步传输以固定的时钟节拍发送数据信号。数据发送以帧为单位。同步传输开销小，传输效率高，但实现复杂，必须有收发定时信号。4. 数据传输速率与带宽数据传输速率是衡量传输系统传输能力的主要指标。主

7、要有比特速率和码元速率。 比特率：在单位时间内传送的比特数，单位是bit/s。 码元速率：在单位时间内传送的码元（波形）数，单位是band（波特）。通常，我们也用传输速率表示信道的通信能力带宽。5. 数据传输差错率一般用误码率表示。误码率=接收出现的差错比特（字符、码元）数/总的发送比特（字符、码元）数100%6. 基带与频带传输 基带传输没有经过调制的信号称为基带信号，这种信号在某些有线信道上可直接传输，这种传输叫做基带传输。 频带传输在很多时候，基带信号必须经过调制，将信号频谱搬移到高频率处，才能在信道中传输。这种称为载波传输或频带传输。频带传输又分为调频、调幅和调相。2.2 传输介质传输

8、系统按传输介质的不同可分为有线传输系统和无线传输系统。有线传输的介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤等。无线传输的主要介质有长波、短波、超短波、地面微波和卫星等。1. 双绞线 双绞线属于平衡电缆，主要用于基带传输。电话用户线一般用一对；数字电话（ISDN电话）用14对；以太网10BASE-T用2对。2. 同轴电缆同轴电缆属于不平衡电缆，它的两种基本形式是基带和宽带。基带用于以太网的连接，宽带用于CATV系统，正逐渐被光纤所取代。光纤和卫星传输系统我们将在后面有关章节做详细介绍。2.3 复用技术复用技术一般有： 频分多路复用FDM 时分多路复用TDM 统计时分复用1. 频分多路复用一般多适用于模拟通

9、信，它把信道频带划分成若干逻辑信道，每个用户独占某些频段。2. 时分多路复用在时分复用系统中，各路信号共用一个信道，轮流在不同的时刻进行传输。其特点是各路信号在时间上互不重叠，但将占据全部带宽。3. 统计时分多路复用动态地分配集合信道的时隙，只给那些确实要传输信息的终端分配线路，大大提高了线路利用率。时分复用多用于数字通信中。2.4 脉冲编码调制PCMPCM是实现模拟信号数字化的最常用的一种方法。将时间连续、取值连续的模拟信号转换成为时间离散、取值离散的数字信号，并按一定规律组合编码，形成PCM信号序列。它的基本过程是抽样、量化和编码。 抽样：以一定频率的取样信号将信号在时间上进行离散。取样频

10、率应大于2倍的信号带宽。 量化：将信号在幅度上离散。 编码：把量化后的取值用一定位数的二进制码来表示。 常用传输码型：在基带传输中，主要的码型有传号反转码（CMI码）、传号极性交替码（AMI码）、三阶高密度双极性码（HDB3码）。以语音信号为例，声音信号从300Hz3.3kHz，带宽为3kHz，取样频率为8kHz，每个抽样的编码为8bit。因此每秒8000个抽样将产生64kbit的数据流，即抽样后的话路速率为64kbit/s。2.5 时分复用系统帧（Frame）：一个取样周期定为一帧，用F表示。对同一信号相邻两次抽样的时间间隔为帧长。每个样值编码所占的时间宽度叫时隙TS，各路时隙之和为一帧。1

11、. 帧结构根据时分多路复用的原理和各种传输媒介的特点，在数字通信系统中，常将多路信源信号组合成具有不同数码率的群路信号，以适应各种传输条件和不同介质的传输。ITU-T为了便于国际通信电路的发展，推荐了两类群路数码率系列和数字复接等级。并建议 24路基础群（T1）为美国和日本采用。 30/32路基础群（E1）为欧洲和中国等地区采用，其码率为2048kbit/s，简称基群或一次群。表1.2.1 基本帧结构02345678931一共32个时隙，从TS0TS31。每时隙8bit，传送一路信号为64Kbit/s的PCM信号。每帧8bit32=256bit，抽样频率为8kHz，所以速率为256bit8kH

12、z=2048kbit/s。在基本帧中，TS0传送帧同步码，TS16传送信令信号。在话音传输中，有CRC（循环冗余校验）复帧和信令复帧，一个复帧由16个基本帧组成。2. 数字复接在通信系统中，为扩大传输容量和提高传输效率，通常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速信道中传输，数字复接就是解决PCM信号由低次群到高次群的合成技术。按时分复用方式将两个或两个以上的分支数字信号汇接成为单一复合数字信号的过程称为数字复接。表1.2.2 所示为不同制式的复接群速率。表1.2.2 复接速率速率北美、日本欧洲、中国基群1.5Mbit/s2.048 Mbit/s二次群6.312 Mbit/

13、s8.448 Mbit/s三次群32.064 Mbit/s34.368 Mbit/s2.6 光纤通信系统1 光纤通信的特点 用高频率的高频作为载频传输信号； 用光导纤维构成的光缆作为传输线路。 优点 传输频带宽，通信容量大； 损耗低，通信距离远。2 光纤的种类光纤按传输的总模数来分可分为 单模光纤 多模光纤所谓模式，实际上是电磁场的一种分配形式，模式不同，分布也不同。单模光纤传输一种模式。单模光纤传输频带较宽，传输容量大。适用于大容量、长距离的光纤通信，但是，费用较高。多模光纤是多个模式在光纤中传输。多模光纤带宽较窄，容量也较少，上限在1G以下。3 光纤通信系统光纤通信系统一般由电端机、光端机

14、和光纤传输等组成。主要技术是数字编码强度调制直接检波通信系统。电端机指PCM多路复用设备。光端机主要完成光电转换。目前，很多是将光端机和电端机合为一体。2.7 PDH/SDH/SONET 数字体系数字复接方式一般有三种：同步复接方式、异步复接方式和准同步复接方式。 同步复接如果复接器输入支路信号与本机定时信号是同步的，那么调整单元只需调整相位，有时连相位也无需调整。 异步复接如果输入各支路信号与本机定时信号是非严格同步关系，那么调整单元要对各支路信号实施频率和相位调整，使之成为同步数字信号。 准同步复接如果输入各支路信号与复接器复接的各支路数字信号的时钟由不同的时钟源提供，但码速率在一定容差范

15、围内为标称相等情况。这时两个信号为准同步信号。2.7.1 准同步数字系列PDHPDH是靠从外界添加帧同步码组的方法实现从低阶到高阶的同步复用，这种同步是不完整的、不精确的，所以叫做准同步。在2.5节中所介绍的时分复用系统即为PDH。PDH的特点： 属异步复用； 上下电路需要一级级地对整个码流拆开并重组； 各厂家PDH设备的光接口标准不同，所以光信号无法直通。2.7.2 SONET/SDH随着光纤通信的发展，为了提供统一的光传输接口，全世界的标准化组织致力于形成一套规范，使所有厂商的传输系统互连。于是同步光网络SONET和同步数字系列SDH标准应运而生。SONET是为美国和加拿大规定的，SDH是

16、对欧洲和其他国家规定的，二者很接近，但不完全一样，新的SDH 正被世界范围内所接受。1. 基本概念 SONETSONET标准以51.84Mbit/s 表1.2.3 SONET复用系列及线速光级号电级号速率OC1STS-151.84 Mbit/sOC3STS-3155.52 Mbit/sOC12STS-12622.08 Mbit/sOC24STS-241.244Gbit/sOC48STS-482.488 Gbit/sOC192STS-1929.6 Gbit/s SDHSDH基本模块信号是STM-1，速率为155.520Mbit/s。高阶STM-N由N个STM-1信号经同步复用而成。目前，N只能取

17、4、16、64。详见表1.2.4SONET和SDH的速率在155.52Mbit/s上得到统一。它们的优点也是相似的。2. SDH 标准表1.2.4 SDH等级速率SDH等级速率STM-1155.52 Mbit/sSTM-4622.08 Mbit/sSTM-162488.32 Mbit/sSTM-649953.28 Mbit/s表1.2.5 ITU关于SDH的建议建议号名称G502数字系列比特率G503数字系列接口的物理/电气特性G505同步数字系列的比特率G508用于同步数字系列的网络节点接口NNIG509同步复用结构G955同步数字系列的用户设备和系统的光接口3. 优点 统一了速率和接口把E

18、1和T1两种数字传输体制融合在统一的标准之中，即在STM-1等级（155.52Mbit/s）上得到统一。同时兼容PDH系统；并统一了光接口。 采用同步复用方式 统一的网络接口标准具有全世界统一的网络节点接口NNI。 网管能力强SDH帧结构中规定了丰富的网管字节，专门安排了5%的带宽分配用来支持网络管理和维护。 具有强大的组网能力和网络自愈能力采用先进的分插复用器（ADM）和数字交叉连接（DXC）等设备使组网能力和自愈能力大大增强，同时也降低了网络的维护管理费用。4 SDH网络设备SDH网络是由一些网络单元（复用器、数字交叉连接设备等）组成，在光纤（或微波）网进行同步信息传输、复用和交叉连接的网

19、络。 分插复用设备ADMADM的主要任务是将各种PDH支路信号或STM-1信号分插到STM-N的光信号中。同时具有内部交叉连接功能。 数字交叉设备DXCDXC是一种用软件控制的数字配线系统，它可以对各种端口速率进行可控制的连接和再连接。主要功能是进行业务分流并提供路由。 终端复用设备TM将各种接口与速率的信号复用到STM-N 上 。 网络管理系统进行网络配置、性能、安全、故障等管理。5. SDH的自愈混合环形网6. SDH网同步SDH网同步结构采用主从同步方式，要求所有的网络单元时钟都能最终跟踪到全网的基准时钟。2.8 波分复用系统WDM单模光纤通信系统的带宽利用率约为1%左右。传统增加容量的

20、方法是采用高速时分复用系统TDM。理论上，基于TDM的高速系统还有望进一步提高到40Gbps，但是40Gbps的TDM系统从性能价格比上看，需大规模的替换整个系统，不易升级以及在技术上存在一些问题。在实用中是否能成功还是个未知数。1. 基本原理WDM是在一根光纤中能同时传输多波长信号的一种技术。在发送端将不同波长的光信号组合（复用），在接收端，又将组合的光信号分开（解复用），并送到不同的终端。单通道速率可10Gbps，在乘上通道数，可达到更高。目前已有的产品可达80Gbps或160bps。2. 优势及发展2.9 卫星通信1. 概述卫星是利用地球卫星作为中继站转发微波信号，在两个或多个地球站之间

21、进行通信。地球同步轨道卫星是与地球相对静止的。 覆盖区 特点 覆盖区域大，通信距离远； 便于实现多址连接； 工作频带宽，通信容量大，适合于多种业务传输。 通信质量好，可靠性高。2. 系统组成 地球站其由天线、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和电源系统组成。 通信卫星其由天线、通信（转发器）、遥测与指令、控制和电源五个分系统。3. 技术体制 频段分配6/4G频段：上行（5.9256.425）GHz；下行（3.74.2）GHz。14/11频段：上行（1414.5）GHz；下行（10.711.2）GHz。每个频段的总宽为500MHz，转发器标称带宽36MHz，转发器中心频率之间间隔为40M

22、Hz。卫星使用的频段正在向更高的频段发展，30/20GHz频段已开始使用。 调制和多址方式 调制模拟卫星调制主要采用FM制，数字卫星主要采用相移键控方式（PSK）。 多址方式FDMA网内各地球站共用一个转发器，将带宽分割成若干互不重叠的的部分，分配给各地球站使用。TDMA每个地球站分配一个特定的时隙，各地球站只在指定的时隙内发射信号。CDMA将要传送的信号用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码去调制它。使原数据信号被扩频，再经载波调制后发射出去。CDMA方式是靠不同的地址码来区分地球站。4. VSAT系统VSAT为甚小天线地球站，其天线口径小，用软件控制。所以有很大的灵活性和适应性，适合于覆盖

23、范围广，通信业务量不大的稀疏路由网络使用。VSAT网由中心站、小型站、和微型站组成。中心站配置全网的控制和管理中心。5. 应用目前卫星已广泛应用于广播电视信号传输、数据传输等业务领域。第三章 交换基础知识3.1 概述在通信系统中，由传输系统提供了若干条通路，那么同时必须实现从源节点到目的节点间找到一条快捷、高效的通道，这种技术称为交换技术。从本质上讲，交换的目的是为了提高网络性能，减少网络阻塞。同时，交换技术能够加快数据的移动速度。交换系统的主要设备是交换机。交换技术起源于电话网络的电路交换，先后出现了报文交换、分组交换、帧中继、ATM、多层交换等交换技术。 在本章我们主要介绍基本概念，每种技

24、术的具体应用将在第二部分的通信网中具体介绍。多层交换将在第三部分中介绍。 注释3.2 电路交换1. 基本原理在用户终端之间建立一条临时的专用物理通道（时间或空间）。主要特点是接续采用物理连接，在通道接通后数据透明传输。2. 优点 信息传输延时小。 信息透明传输，实时性好。3. 缺点 双方独占电路资源，电路利用低。 透明传输要求双方具有完全兼容的速率、格式，因此限制了不同速率及格式的用户之间的互通。目前的电话交换网都是使用电路交换原理。3.3 报文交换1. 基本原理基本思想是存储转发。当双方通信时，不必在双方之间建立通道，只需发送方与交换机接通，由交换机接收并保存，并根据接收方的地址，等待线路空

25、闲时，再将报文发送出去。2. 优点 由于交换机可存储信息，可实现不同速率、格式的相互通信，并可实现一点对多点通信。 可提高线路利用率。3. 缺点 延时较大，不利于实时通信 需要交换机有高速的处理能力和较大的存储容量，否则会出现阻塞现象。3.4 分组交换1. 基本原理也属“存储转发”方式，但其不以报文为单位，而是将报文分成被规格化了的包（Packet）进行交换和传输。主要特点是更短的具有统一规格的分组包，而且每个分组都带有控制信息和地址信息，因此，分组更利于交换机存储和处理，还可在网内独立的传输，以分组进行流量控制、路由选择和差错控制等处理。2. 优点 由于采用差错控制等措施，所以传输质量高。

26、线路利用率高，采用动态统计时分复用技术。 可靠性高。 互通性好。3. 缺点 传输开销大，所以效率低。 技术实现复杂。最典型的应用是X.25分组交换网。3.5 帧中继1. 基本原理帧中继是在分组交换技术基础上，随着光纤传输广泛应用以及用户终端处理能力的增强而发展的。帧中继也称快速分组交换技术，保留了分组交换的统计复用的优点。去掉了差错控制、流量控制，把其留给用户终端处理，提高了传输速率，同时取消了分组层，增加了路由功能，即在第二层以帧为单位进行路由选择。2. 优点 对帧中继包统计复用，简化协议，所以效率高。 组网灵活，由于帧中继协议简单，在现有数据网上稍加改造，便可实现。 可动态分配带宽，解决突

27、发数据。帧中继技术目前已经被广泛应用。3.6 ATM1. 基本原理ATM的基本原理是分割与封装。处理大量信息的最好办法是把信息分割成尽可能小的单元以便易于处理。ATM采用固定长度的分组信元进行交换。信元的长度是固定的，为53个字节，其中48个字节携带信息负荷，5个字节为信头。信头带有足够的信息为信元在ATM网中指示路径。ATM交换对信元的发送采用统计时分复用，允许收发时钟异步工作。所以ATM为异步传输模式。2. 优点 与分组交换相比，缩短了包头，简化了控制格式，可以更快地完成路由选择，增加、去除、复用ATM信元，易于处理。 可支持多种业务，不关心信息的内容和形式。 与传统同步时分复用的固定带宽

28、相比，ATM分配带宽是动态的。资源利用率高。基于ATM的网络与服务将在后面介绍。3.7 小结几种不同的交换方式体现在对信息的处理方法上：电路交换在物理层数据透明传输。分组交换在分组层（第三层）数据以分组形式被存储转发。帧中继在链路层数据以帧的形式传输。ATM交换在链路层数据以信元的形式传输。对应于不同的信息格式，其寻址方式也不同。第四章 分层通信体系结构随着通信的发展，为了将使用不同传输介质、传输技术、交换技术、用户终端，传送不同业务的通信网互连，允许系统之间透明的通信和数据转换，ISO建立了一个通信系统标准化框架开放系统互连模型OSI（Open System Interconnection）

29、。OSI是一个七层结构。通信过程被分割成七个不同的层次，每一层均包含了一组功能，以便提供一组确定的服务。同层之间用相同的协议通信，层间通过接口来传递信息。这种分层结构使得当给定的某层做了改动以后，只要该层提供的服务不变，系统中的其它部分就不受影响。OSI 与现存的许多通信网并不完全兼容，因为许多技术是先于OSI的。尽管如此，许多通信厂商以不同的方式实现OSI兼容性。1 各层功能描述1. 物理层规范设备间电气和物理连接的一组规则，包括物理设备间的电气、机械和规程方面的协议和接口。如V.24接口，其控制DCE和DTE之间的连接。2. 数据链路层负责访问物理层规定的介质，包括相邻节点间帧的构成，差错控制、流量控制及链路控制等。这里的帧是指通过通信线路被传输信息的基本单位。与PCM时分复用系统中的帧不同。数据链路是两个相邻节点间经双方确认后可开始传输数据的逻辑连接，它是建立在物理连接基础之上的。链路控制包括数据链路的建立、数据传送和拆除链路等。典型的数据链路层协议是高级数据链路控制HDLC。3. 网络层负责从源节点到目的节点间路由选择（包括寻址、选路和交换），对数据进行分割和组合，并进行流控和差错控制。在网络层已经有多种协议，如X.25分组交换协议，X.75网关协议和IP协议等。4. 传输层提供端到端的数据管理，包括差错和流量控制，保证端到端的可靠传输。