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1、通信技术基础2018年12月,什么是通信？什么是电通信？什么是交换，交换技术有哪些类型？什么是传输，传输技术有哪些？什么是通信网络？为什么网络无处不在？什么是FDMA、TDMA和CDMA及其区别?什么是GSM？什么是3G?什么是4G？,你知道吗？你想知道吗？,通信网络概述,1.通信的发展历史 2.目前的通信技术 3.基本的通信技术概念 4.通信系统中全程全网的概念和组成 5.固定电话、移动电话、数据通信中通信的过程,1.1 通信发展概述,1.1.1 通信的概念 所谓通信是指通过某种媒质进行的信息传递。什么是信息？对于信息的定义非常多，在中国国家标准GB4894-85中关于信息的定义是：信息是物
2、质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。那么，什么又是媒质呢？,自从人类存在开始，通信就已经存在，通信的目的一直没有发生过改变，变化的只是通信的方式。,1.1.1 通信的概念,什么是媒质？媒质即“介质”，当一种物质存在于另一种物质内部时，后者就是前者的介质。在通信中所指的媒质是能传输信息的渠道。如有线介质、无线介质。其中铜介质、光纤介质等属于有线介质，而空气则属于无线介质。,1.1.2 通信的发展历史,人类的通信从远古时代就已经开始。人与人之间的语言、肢体交流就是最早出现的通信。通信的发展历史则可以分为古代通
3、信和近现代通信。在中国古代，飞鸽传书，烽火传信，利用驿站的邮驿系统、旗语等都是属于常见的通信方式。,烽火台,长 城,通信方式手势,旗语,1.1.2 通信的发展历史,近现代的通信发展历史，大致可以分为两个阶段。第一阶段是电通信阶段，第二阶段是电子信息通信阶段。第一阶段的通信技术包括1835年莫尔斯发明电报机，并于1837设计莫尔斯电报码。1876年贝尔发明电话机，这使得利用电磁波不仅可以传输文字还可以传输语音，大大加快了通信进程。1895年，马可尼和波波夫发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。,1.1.2 通信的发展历史,莫尔斯人工电报机,1.1.2 通信的发展历史,近现代通信发展历史
4、的第二阶段是电子信息通信阶段。主要的通信技术有移动通信技术，程控交换技术，传输技术，数据通信与数据网技术，接入网与接入技术。,四通八达的座机电话灵活方便的手机电话和绚丽多彩的电视画面精彩纷呈的计算机互连网络Internet,近现代通信的常见方式包括：,计算机技术与通信技术的结合，计算机网络的产生，标志着人类史上信息通信时代的到来。,1.1.2 通信的发展历史,【移动通信发展历史】1928年，发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机；1946年，贝尔系统建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”；20 世纪80年代中期，欧洲和日本纷纷建立了自己的第一代蜂窝移动通信系统（1G系统）；19
5、92年开始GSM（2G系统）在全球范围内迅速扩张；1995年ITU 将第三代移动通信系统（3G系统）命名为国际移动通信2000（IMT-2000）。,1.1.2 通信的发展历史,【程控交换技术发展历史】1878年就出现了人工交换机，借助话务员进行人工话务接续。1893年步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电自动交换时代。1938年纵横制(cross bar)交换机被发明，相对于步进制交换机，提高了可靠性和接续速度。,1.1.2 通信的发展历史,【程控交换技术发展历史】,美国贝尔公司于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机(No.1 ESS),这一成果标志着电话
6、交换机从机电时代跃入电子时代。法国于1970年开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。,程控交换机,1.2 通信基本概念,电信号通常分为两大类：模拟信号和数字信号。模拟信号：某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内连续变化的信号。数字信号：某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内跳跃变化，仅有有限个取值的信号。,1.2 通信基本概念,数字信号在性能方面优于模拟信号，但是很多原始信号产生时是模拟信号，所以要想使用数字信号实现通信就需要先将模拟信号转换成数字信号。最常见的模数信号转换方法就是脉冲编码调制技术（PCM）。PCM信号的形成是模拟信号经
7、过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。,1.2.2 脉冲编码调制（PCM）,1.抽样：所谓抽样就是每隔一定的时间间隔抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。抽样频率fs取多大合适呢？应满足抽样定理。fs不是越高越好，目前最常见的抽样频率是每秒8000次。抽取的样值为8000个抽样值/s。,1.2.2 脉冲编码调制（PCM）,2.量化：量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号(即量化值）。量化分为均匀量化和非均匀量化两种。若量化间隔是均匀的,称为均匀量化;还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化,其量化间隔随信号幅度的大小不同而相应调整。非均匀量化克服了均匀量化的缺
8、点。目前非均匀量化中的直接非均匀编解码法使用较多。量化级数共有256个。,1.2.2 脉冲编码调制（PCM）,3.编码：,一路模拟信号在经过抽样、量化、编码以后所形成的PCM数字信号带宽为：8000个抽样值/s8bit/每个抽样值64Kbit/s 一条信道中 PCM 30/32系统的传输速率 8bit/时隙 32时隙/帧 8000帧/s2.048 Mbit/s,编码即是将量化后的信号抽样幅值以二进制数值来表示。编码最多需要的二进制位数为log2N位，N是量化等级数。每个量化级别可编码为8个二进制数字信号，即8bit。,1.2.3 多路复用技术,1.基本概念 在发送端将若干个独立无关的分支信号合
9、并为一个复合信号，然后送入同一个信道内传输，接收端再将复合信号分解开来，恢复原来的各分支信号，称为多路复用。多路复用的原理示意图如下：,最常用的多路复用技术是频分多路复用和时分多路复用，另 外还有统计时分多路复用和波分多路复用技术。,1.2.3 多路复用技术,定义：FDM是把线路的通频带资源分成多个子频带，分别分配给用户形成数据传输子通路，每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，当该用户没有数据传输时，别的用户不能使用，此通路保持空闲状态。FDM主要适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话、电报和电缆电视（CATV）。在数据通信中，需和调制解调技术结合使用。优点：多个用户共享一条传
10、输线路资源。缺点：给每个用户预分配好子频带，各用户独占子频带,使得线路的传输能力不能充分利用。,2.频分多路复用（FDM）,图示 FDM原理示意图,2.频分多路复用（FDM）,定义：TDM采用固定时隙分配方式，即一条物理信道按时间分成若干个时间片（称为“时隙”），轮流地分配给多个信号使用，使得它们在时间上不重叠。每一时间片由复用的一个信号占有,利用每个信号在时间上的轮流传输，在一条物理信道上传输多个数字信号。通过时分多路复用技术，多路低速数字信号可复用到一条高速数据速率的信道。优点：多路低速数字信号可共享一条传输线路资源。缺点：时隙是预先分配的，且是固定的，每个用户独占时隙，时隙的利用率较低，
11、线路的传输能力不能充分利用。,3.时分复用（TDM）,3.时分复用（TDM）,图示 TDM原理示意图,4.码分复用（CDM）,图示 CDM原理示意图,码分码分复用(CDM，Code Division Multiplexing)也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干拢能力强。,1.2.3 多路复用技术,定义：WDM是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，
12、在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），恢复出原信号后送入不同的终端。分类：WDM系统按工作波长的波段不同可以分为两类。一类是在整个长波长波段内信道间隔较大的复用，称为粗波分复用(CWDM);另一类是在1550nm波段的密集波分复用(DWDM)。构成形式：WDM系统基本构成主要有两种形式：即双纤单向传输和单纤双向传输。,5.波分复用（WDM）,图1-20 WDM单纤双向原理示意图,5.波分复用（WDM）,1.2 通信基本概念,多址技术是在无线通信中常用的技术,目的使多用户的信号可以直接实现多边通信传输；需要区分不同用户信号。1.概念发端：给用户信息赋予不同的特征，然后向空中发射，自然 合路
13、；收端：根据不同的特征，从空中提取自己的信号。多址技术适用于无线传输，可以提高频率利用率。多址技术根据特征的不同可以分为：FDMA（频率区分）、TDMA（时间区分）、CDMA（编码区分）、TD-SCDMA、SDMA（空间方向区分）,1.2.6 多址技术,概念：以频率区分不同的用户信号，每个用户占用一个 频道传输信息。原理：在发送端将每个用户的信息调制到不同载频上传 输；在接收端接收并解调获取自己的信息。,1.2.6 多址技术,1.FDMA（Frequency Division Multiple Access）,图1-28 FDMA系统工作示意图,频率利用率低，系统容量有限；每个频道一对频率，只
14、可送一路话音；信息连续传输；FDMA不需要复杂的成帧、同步和突发脉冲序列的 传输，MS设备相对简单；技术成熟，易实现，但系统中多个频率信号易相 互干扰，且保密性差；独立应用于模拟系统。,1.FDMA,FDMA具有如下特点：,概念：以传输时间区分不同的用户信号，每个用户占用 一个频道的不同时间段传输信息。原理：在发端：每个用户的信息调制到一个载频上在规定的时间段传输；在收端在规定的时间段接收解调获取自己的信息。,图1-29 TDMA系统工作示意图,2.TDMA（Time Division Multiple Access）,GSM中采用FDMA/TDMA方式,图1-29 TDMA系统工作示意图,图
15、1-29 TDMA系统工作示意图,图1-29 TDMA系统工作示意图,图1-29 TDMA系统工作示意图,概念：以不同编码特征区分不同的用户信号，每个用 户、信息、基站采用不同的编码调制。原理：在发送端将不同用户信息用不同的地址码调制 后传输；在接收端 用与发送端相同的 地址码解调获取自 己的信息。,3.CDMA（Code Division Multiple Access）,系统容量：CDMATDMAFDMA,图1-30 TDMA系统工作示意图,图1-30 TDMA系统工作示意图,图1-30 TDMA系统工作示意图,图1-30 TDMA系统工作示意图,图1-30 TDMA系统工作示意图,图1-
16、30 TDMA系统工作示意图,时分-同步码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access），融合后亦称UMTS TDD LCR，是ITU（国际电信联盟）批准的多个3G移动通信标准中的一个。相对于另两个主要3G标准（W-CDMA和CDMA2000），它的起步较晚而且产业链薄弱（2008年中国大陆发放3G牌照时的情况），发展过程较为曲折。该标准是中国大陆地区制定的3G标准。1998年6月29日，中国大陆地区原邮电部电信科学技术研究院（现大唐电信科技股份有限公司）以信威通信的SCDMA技术为基础，向ITU提出了该标准，并且顺利通
17、过成为IMT2000 3G系统的一个标准。在3GPP R99之后的版本，TD-SCDMA实现了与原西门子所研究的TD-CDMA的高层融合，结合SCDMA的智能天线、上行同步、和软件无线电（SDR,Software Defined Radio）等技术，成功克服了TD-CDMA技术不能用于宏蜂窝组网的缺陷，原因是通过GPS同步和特殊时隙，实现了全网同步解决了切换的问题，虽较TD-CDMA系统的特殊时隙配置固定化，却获得了宏网组网能力,4.TD-SCDMA,5.空分多址技术（SDMA）,概念：（Space Division Multiple Access)以不同空间方向性区分不同的用户信号，每个用户
18、占用不同的空间波束。原理：根据来波方向角估算确定定向发射方向。采用自适应阵列天线；一般不单独使用应用：卫星通信 智能天线,不同类型的多址技术可组合使用。,图1-27 各种多址技术示意图,1.2.6 多址技术,1.2.7 通信模型,具体通信系统中涉及大量具体设备，而且不同的通信系统又具有不同的具体设备，但所有通信系统可以抽象为一个通信模型，其涵盖了所有通信系统的特征。一个“点到点的通信系统”的通信模型由信源、信宿、变换器、反变换器、信道、噪声6部分组成，结构如下：,图1-32 通信系统模型,1.2.7 通信模型,信源：发信息端，将各类消息转换成信号。信宿：收信息端，将接收到的信号还原成消息。信道
19、：信息传输通路，不完全等同与传输介质。变换器：将信源产生的信号变换成适合在信道传输的信号。反变换器：完成信号的反变换，将信号还原成信宿能 接收的信号。噪声：噪声不是通信模型中的一部分，但通信模型中传输的信号会被噪声所干扰，从而产生误码。噪声分为自然噪声和人为噪声。,各部分的作用如下：,1.2.8 通信网络结构,1.通信网的组成,通信网是由若干用户终端A，B，C，并通过传输系统链接起来。用户终端之间通过一个或多个节点链接，在节点处提供交换、处理、网络管理等功能。,图1-33 通信网的组成结构示意图,MSC Mobile Switching CenterBSC Base Station Contr
20、ollerRNC，Radio Network ControllerMGW Media GatewaySGSN Serving GPRS SUPPORT NODE,1.通信网的组成,通信网络在组成结构上包括用户终端设备、传输线路、交换系统三个部分。（1）用户终端设备 用户终端设备是通信网中的源点和终点，它除对应于信源和信宿之外还包括了一部分变换和反变换装置。如：电话机、传真机、计算机等。（2）传输线路及设备 传输线路及设备是交换设备之间的通信路径，承载用户信息和网络控制信息。（3）交换系统 交换系统用于把点对点通信系统连接成通信网，完成网内选路功能，从而实现网内任意用户之间都能相互交 换信息。,
21、2.通信网的拓扑结构,通信网络结构的拓扑图常见的有总线型、星型、环型、网状型、复合型。,1.3 全程全网概念,信息在发起端通过终端接入设备、传输链路、交换设备以及相应的信令系统、通信协议和运行支撑系统的共同协作，到达接收端，完成通信全过程，在此过程中所经过的各个具体网络、设备、协议的总和被称为全程全网。,1.3.1 概念,1.3.2 分类,图1-39 全程全网结构示意图,在全程全网的概念中，根据网络具体位置与功能的不同，大致分为接入网、传输网、交换网、支撑网四个部分。,1.3.3 接入网,基本概念,接入网在通信网中介于本地交换机和用户之间,主要完成使用户接入到核心网的任务，起到承上启下的作用，
22、通过接入网将核心网的业务提供给用户。接入网是一种透明传输体系，本身不提供业务，由用户终端与核心网配合提供各类业务。俗称“最后一公里”。,物理结构,接入网从物理上分可分为馈线段、配线段和引入线段。如下图：,图1-40 接入网的一般物理结构,连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段；连接局端设备和远端设备之间的部分称为配线段；远端设备到用户之间的部分称为引入线。引入线部分的传输媒质一般为铜线，也有采用无线或其它传输媒质。,1.3.3 接入网,接入网分类：,1.3.3 接入网,作用：在设备（结点）间进行数据传递概况：在传输技术中以前最常用的是准同步数字系列（Plesiochronous Digit
23、al Hierarchy）,简称 PDH；而目前最常用的传输技术是“同步数字系列”（Synchronous Digital Hierarchy），简称SDH。,1.3.4 传输网,20世纪80年代中期，PDH大规模应用，但PDH存在着一些固有的缺陷，SDH是在PDH基础上发展起来的 我国的传送网分为四个层次：省际干线网、省内干线网、本地中继网和用户接入网。,概念：交换即转接，是通信网实现数据传输的必不可少的技术。交换即各个终端之间通过公共网（交换结点）传输语言、文本、数据及图像等业务。任何一个主叫信息都可通过交换节点发送给所需的一个或多个被叫用户。常用的交换技术有电路交换、分组交换、帧交换及A
24、TM交换。,1.3.5 交换网,图1-41 各种交换方式及发展关系,电路交换是最早实现的一种交换方式，这要求输入线与输出线建立一条物理通道，其原理是直接利用要切换的物理通信线路连接通信双方。分组交换也采用存储转发方式，但与报文交换不同的 是，它将用户要传送的信息分成若干组，交换节点收到分组之后进行暂时存储，然后对分组进行分析，找出目的地址和选择路由，在选择的路由上排队，路由空闲时发到下一个交换节点，直到最后找到目的地址。,1.3.5 交换网,支撑网（supporting network）是现代电信网运行的支撑系统。一个完整的电信网除了传递电信业务为主的业务网之外，还需有若干个用来保障业务网正常
25、运行、增强网路功能、提高网路服务质量的支撑网路。支撑网中传递相应的监测和控制信号。支撑网主要包括信令网、同步网和电信管理网等。,1.3.6 支撑网,1.4 固定电话通信过程,固定电话通信是一种最基本的通信方式，其它通信方式都是以此为基础发展的。下面以一次“打电话”的过程来简要说明固定电话通信过程。,1.4.1 电话接续过程,主叫A摘机；听拨号音；拨被叫B的号码，如被叫B空闲，则主叫A听回铃音，被 叫B话机响铃；当被叫B摘机后，双方开始通话；当其中一方挂机，另一方听忙音，提示本次通话结束，挂机恢复空闲，以备下次通话。,1.4.2 电话通信所需设备,电话通信网的基本组成设备：终端设备：完成声电转换
26、和信令功能，将人的话音信号转换为交变的话音电流信号，并完成简单的信令功能。传输设备：连接电话机与交换机、交换机与交换机。交换设备：完成交换功能，将不同的用户连通并进行 通话。,图1-42 电话通信网组成图,1.4.3 电话通信中的信号,业务信号：用户之间交流的信息；控制信号：在电话接续过程中需要一些控制信号来控 制接续的有序进展，这些控制信号就称为信令。信令的分类：按照控制信号传送的区域不同分为用户 线信令和局间信令。,1.用户线信令 用户线信令是交换网中在用户话机和交换机之间传送的信令，它包括用户状态信号、用户拨号所产生的数字信号以及铃流和信号音。,1.用户线信令,（1）用户状态信号 又称用
27、户线监视信号，用于反映用户的摘机或挂机的状态，直流馈电电流规定为1850mA 之间。用户摘机信号应该是从无直流电流到有上述直流电流的变化；相反，用户挂机信号应该是从有上述直流电流至无直流电流之间的变化。,（2）数字信号 使用号盘话机或直流脉冲（DP）按键话机的情况下，数字信号为直流脉冲；在使用双音多频（DTMF）按键话机的情况下，数字信号为双音频信号的组合。,（3）铃流和信号音 铃流和信号音都是由交换局向用户话机发送的信号。铃流是提示用户有电话呼入的信号，铃流源为25Hz、75V 正弦波，振铃为5s 断续，即1s 送，4s 断。信号音信号音源为450Hz 或950Hz 正弦波，需要时还可以启用
28、1400Hz 和1800Hz 信号音源。,1.用户线信令,局间信令是在交换机与交换机之间的中继线上传送的信令，主要包括局间接续所需的占线、应答、拆线等监视信令及控制接续的选择信令和证实信令等。按信令信道可分为随路信令和公共信道信令。公共信道信令是指在电话网中各交换局的处理机之间用一条专门的数据通路来传送信令信息的一种信令方式，我国目前使用的No.7信令就是公共信道信令。,2.局间信令,3.电话接续的 信令流程,1.5 移动电话通信过程,移动电话通信过程如下图所示：,1.5.1 移动电话通信中的基本设备,移动通信的主要概念,定义:通信的双方至少有一方可以处于运动的信息交换状态主要应用:无绳电话、
29、无线寻呼、陆地移动通信系统、卫星移动通信系统,GSM网络结构,VLR,MSC,BSC,手机,GMSC,HLR,AUC,GMSC：移动门道局MSC：移动业务中心HLR：归属位置寄存器VLR：拜访位置寄存器AUC：鉴权中心BSC：基站控制器BTS：基站,手机,市话拨手机的接续过程（总图）,IMSI：International Mobile Subscriber Identification NumberIMEI：International Mobile Equipment IdentityMSISDN：Mobile Station International Subscriber Directory Number,市话拨手机的接续过程（总图）,移动通信发展历程,各运营商频段分布,4G与5G的区别,感谢聆听！,
