現(xiàn)代傳輸與交換技術(shù)

1、現(xiàn)代傳輸與交換技術(shù)現(xiàn)代傳輸與交換技術(shù)教師：毛倩辦公室：儀表一館113Email: Tel: 55271601 (O)(M)第第1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論通信系統(tǒng)的分類1傳輸技術(shù)5交換技術(shù)4 現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標2通信系統(tǒng)按照不同方式可分成如下幾類： 1. 按傳輸信號的形式模擬通信和數(shù)字通信在用戶線上傳輸模擬信號的通信方式稱為“模擬通信”，模擬信號無論在時間上或是在幅度上都是連續(xù)的。大多數(shù)電話通信就是模擬通信。數(shù)字信號是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負載數(shù)字信息的信號。電報信號就屬于數(shù)字信號。1 1 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類信息包含在脈沖的有無之中，只要噪

2、聲絕對值不超過信息包含在脈沖的有無之中，只要噪聲絕對值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無.采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號和原來的數(shù)字信號一樣，可繼續(xù)傳輸下去和原來的數(shù)字信號一樣，可繼續(xù)傳輸下去 抗干擾能抗干擾能力強力強 遠距傳輸遠距傳輸能保證質(zhì)量能保證質(zhì)量數(shù)字通信的優(yōu)勢數(shù)字通信的優(yōu)勢如電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等，便于實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合如電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等，便于實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) 適應(yīng)各種適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)通信業(yè)務(wù) 便于實現(xiàn)便于實現(xiàn)加密處理加密處理 便于采用便于采用大規(guī)模集成大

3、規(guī)模集成電路電路 便于實現(xiàn)便于實現(xiàn)計算機管理計算機管理1 1 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類1.按信道具體形式有線通信和無線通信2.按通信工作頻段長波通信、 中波通信、 短波通信、 微波通信、 光通信等。通信通信有線通信有線通信無線通信無線通信電通信電通信雙絞線雙絞線架空明線架空明線同軸電纜同軸電纜光纖通信光纖通信短波通信短波通信微波通信微波通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信散射通信散射通信第一章第一章 概概 述述通信系統(tǒng)的分類1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標22 2 我們需要什么樣的通信系統(tǒng)我們需要什么樣的通信系統(tǒng) 現(xiàn)代通信現(xiàn)代通信新技術(shù)的新技術(shù)的目標目標支持任意類型的應(yīng)用，如語音、視頻、傳真等（即多媒體網(wǎng)絡(luò)）提供更多

4、更好的網(wǎng)絡(luò)管理工具提供網(wǎng)絡(luò)硬件/軟件的“無縫”連接，以及網(wǎng)絡(luò)之間的“無縫”連接在各個供應(yīng)商的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)上都能夠運行良好的標準更大的吞吐量、 更高的傳輸速率、更低的延遲國內(nèi)主要電信設(shè)備制造商：華為、中興、大唐、烽火，國外主要電信設(shè)備制造商：西門子、富士通、朗訊、思科、NEC、北電網(wǎng)絡(luò)、必須有統(tǒng)一的標準使各個制造商的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)能夠兼容，并且運行良好。不斷增長的對更大通信容量的需求不斷增長的對更大通信容量的需求文本文本圖形圖形聲音聲音彩色彩色圖像圖像視頻視頻帶寬要求帶寬要求設(shè)屏幕的分辨率為 768 512：v 一屏文本需要的存儲空間約為 96 kbit;v 一幅由500條直線組成的矢量圖形需要的存儲

5、空間約18.4kbit;v 存儲一秒語音信息需要的空間為 64 kbit;v 存儲一秒數(shù)字化高質(zhì)量音頻需要的空間約為1.4 Mbit；v 一幅靜止彩色圖像需要的存儲空間約為 9.4 Mbit；v 存儲一秒PAL制式的視頻圖像需要的空間約為 240 Mbit。第一章第一章 概概 述述通信系統(tǒng)的分類1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標2 現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3CATVCATV中繼線衛(wèi)星用戶線用戶線傳輸系統(tǒng)交換系統(tǒng)交換系統(tǒng)基站基站終端設(shè)備終端設(shè)備電視電話移動電話電 腦計算機3 3 現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)電信網(wǎng)的基本組成如下圖所示3 3 現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)從功能的角度看，一個完整的現(xiàn)代通信網(wǎng)可分為

6、相互依存的三部分：業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)、支撐網(wǎng)，如下圖所示。支撐網(wǎng)電話網(wǎng)ATM 網(wǎng)InternetFR 網(wǎng)移動網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)光傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)SDH/SONET信令網(wǎng)管理網(wǎng)同步網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)負責(zé)向用戶提供各種通信業(yè)務(wù)，如基本話音、數(shù)據(jù)、多媒體等，采用不同交換技術(shù)的交換節(jié)點設(shè)備通過傳送網(wǎng)互連在一起就形成了不同類型的業(yè)務(wù)網(wǎng)。主要業(yè)務(wù)網(wǎng)的類型如下表所示：業(yè)務(wù)網(wǎng) 基本業(yè)務(wù) 交換節(jié)點設(shè)備 交換技術(shù) 公共電話網(wǎng) 普通電話業(yè)務(wù) 數(shù)字程控交換機 電路交換 移動通信網(wǎng) 移動話音、數(shù)據(jù) 移動交換機 電路/分組交換 智能網(wǎng) IN 以普通電話業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的增值業(yè)務(wù)和智能業(yè)務(wù) 業(yè)務(wù)交換節(jié)點、 業(yè)務(wù)控制節(jié)點 電路交換 分組交換網(wǎng)(X

7、.25) 低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(64 kb/s) 分組交換機 分組交換 幀中繼網(wǎng) 局域網(wǎng)互連(2 Mb/s) 幀中繼交換機 幀交換 數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng) DDN 數(shù)據(jù)專線業(yè)務(wù) DXC 和復(fù)用設(shè)備 電路交換 計算機局域網(wǎng) 本地高速數(shù)據(jù)(10 Mb/s) 集線器(Hub)、網(wǎng)橋、交換機 共享介質(zhì)、 隨機競爭式 Internet Web、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 路由器、服務(wù)器 分組交換 ATM 網(wǎng)絡(luò) 綜合業(yè)務(wù) ATM 交換機 信元交換 傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)是隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入管理和交換智能后形成的。傳送網(wǎng)獨立于具體業(yè)務(wù)網(wǎng)，負責(zé)按需為交換節(jié)點/業(yè)務(wù)節(jié)點之間的互連分配電路，在這些節(jié)點之間提供信息的透明傳輸通

8、道，它還包含相應(yīng)的管理功能，如電路調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視、故障切換等。目前主要的傳送網(wǎng)有SDH/SONET和光傳送網(wǎng)(OTN)兩種類型。支撐網(wǎng)支撐網(wǎng)支撐網(wǎng)負責(zé)提供業(yè)務(wù)網(wǎng)正常運行所必需的信令、同步、網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)管理、運營管理等功能，以提供用戶滿意的服務(wù)質(zhì)量。支撐網(wǎng)包含三部分：1.同步網(wǎng)。同步網(wǎng)。負責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備之間和節(jié)點設(shè)備與傳輸設(shè)備之間信號的時鐘同步、幀同步以及全網(wǎng)的網(wǎng)同步，保證地理位置分散的物理設(shè)備之間數(shù)字信號的正確接收和發(fā)送。2.信令網(wǎng)。信令網(wǎng)。對于采用公共信道信令體制的通信網(wǎng)，存在一個邏輯上獨立于業(yè)務(wù)網(wǎng)的信令網(wǎng)，它負責(zé)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間傳送與業(yè)務(wù)相關(guān)或無關(guān)的控制信息流。3.管理網(wǎng)。管理網(wǎng)。

9、管理網(wǎng)的主要目標是通過監(jiān)視業(yè)務(wù)網(wǎng)的運行情況，采取各種控制和管理手段，以便在各種情況下充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，保證通信的服務(wù)質(zhì)量。第一章第一章 概概 述述通信系統(tǒng)的分類1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標2 現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3交換技術(shù)4通信網(wǎng)由通信終端、傳輸設(shè)備和交換設(shè)備組成，其中交換設(shè)備是整個網(wǎng)絡(luò)的核心。通信的目的是實現(xiàn)信息的傳遞。在通信系統(tǒng)中，信息是以電信號或光信號的形式傳輸?shù)摹Ｒ粋€通信系統(tǒng)至少應(yīng)由終端和傳輸媒介組成，如下圖所示。終端將含有信息的消息，如話音、圖像、計算機數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)換成可被傳輸媒介接受的信號形式，同時將來自傳輸媒介的信號還原成原始消息；傳輸媒介則把信號從一個地點傳送至另一個地點。這樣一種僅涉及兩個終

10、端的單向或交互通信方式稱為點對點通信點對點通信。消息消息消息消息終終 端端傳輸媒介傳輸媒介終終 端端5 交換技術(shù)交換技術(shù)5 交換技術(shù)交換技術(shù)當(dāng)存在多個終端，且希望它們中的任何兩個都可以進行點對點通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如下圖所示，這樣的一種連接方式稱為全互連式全互連式。多用戶全互多用戶全互連式連接連式連接5 交換技術(shù)交換技術(shù) 全互連式連接存在下列一些缺點：1)當(dāng)存在 N 個終端時，線對數(shù)量以終端數(shù)的平方增加；2)當(dāng)這些終端分別位于相距很遠的兩地時，兩地間需要大量的長線路；3)每個終端都有 N-l 對線與其它終端相接，因而每個終端需要 N-1個線路接口；4)增加第 N+1個終端

11、時，必須增設(shè) N 對線路。當(dāng) N 較大時，無法實用化；5)由于每個用戶處的出線過多，因此維護工作量較大。5 交換技術(shù)交換技術(shù)如果在用戶分布密集的中心安裝一個設(shè)備交換機(switch，也叫交換節(jié)點)，每個用戶的終端設(shè)備經(jīng)各自的專用線路(叫用戶線)連接到交換機上，如下圖所示，就可以克服全互連式連接存在的問題。用戶通過交換用戶通過交換機連接機連接5 交換技術(shù)交換技術(shù)在上圖中，當(dāng)任意兩個用戶之間要交換信息時，交換機將這兩個用戶的通信線路連通。用戶通信完畢，兩個用戶間的連線就斷開。有了交換設(shè)備，N 個用戶只需要 N 對線就可以滿足要求，線路的投資費用大大降低，用戶線的維護也變得簡單容易。盡管這樣增加了交

12、換設(shè)備的費用，但它的利用率很高，相比之下，總的投資費用將下降。電路交換電路交換在網(wǎng)絡(luò)中，兩個端點之間通常需要通過中間節(jié)點實現(xiàn)通信, 這些中間節(jié)點并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容，而是提供一個交換設(shè)備, 把數(shù)據(jù)從一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到另一個節(jié)點，直至達到目的端。因此交換技術(shù)主要是指網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點所提供的交換功能。通常，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主要使用三種交換技術(shù): 電路交換、 報文交換和分組交換。1.電路交換（Circuit Switching） 電路交換的基本處理過程包括呼叫建立、通話(信息傳送)、連接釋放三個階段，最典型的例子是電話交換系統(tǒng)，如下圖所示。電路交換電路交換主叫用戶A局B局C局被叫用戶撥號音撥號占用信號占用信號振鈴取

13、機通話(信息傳送)被叫掛機反向拆線信號主叫掛機正向拆線信號掛機正向證實信號呼叫建立連接釋放回鈴音掛機電路交換電路交換電路交換的主要特點：1.電路交換是一種實時交換，適用于實時要求高的話音通信（全程的傳輸時間200ms）。2.在通信前要通過呼叫為主、被叫用戶建立一條局間邏輯的端-端連接。如果呼叫請求數(shù)超過交換網(wǎng)的連接能力（過負荷），用戶會聽到忙音。3.電路交換預(yù)分配帶寬，話路接通后，即使無信息傳送也虛占電路。據(jù)統(tǒng)計，傳送數(shù)字話音時電路利用率僅為36%。4.在傳送信息時，沒有任何差錯控制措施，不利于傳輸可靠性要求高的突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。5.采用電路交換方式的交換節(jié)點在建立的連接通路上通常只提供一種基本

14、的傳送速率(如64kb/s)。報文交換報文交換2.報文交換（Message Switch） 與電路交換的工作原理不同，在報文交換中，每份報文含有報頭，包含收、發(fā)雙方的地址，以便交換節(jié)點進行路由選擇。傳送報文時，沒有連接建立和釋放這兩個階段，而是由交換節(jié)點接收每份報文，予以存儲，再按照報頭內(nèi)容向目的節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)（即存儲/轉(zhuǎn)發(fā)的方式）。報文交換過程如下圖所示。報文交換報文交換傳播時延傳輸時延存儲/處理時延用戶電報機AA 局B局C局用戶電報機BM1M1M1M1t報文交換報文交換報文交換的優(yōu)點如下：1.節(jié)點之間的信道可被報文共享，因此線路利用率高； 2.接收者和發(fā)送者無需同時工作, 當(dāng)接收者處于“忙”

15、時, 中間節(jié)點可將報文暫時存儲起來；3.當(dāng)流量加大時，報文仍然可以接收，但延時會增加；4.可 同 時 向 多 個 目 的 端 發(fā) 送 同 一 報 文 ， 實 現(xiàn) 多 播（Multicast）功能；5.可以在報頭中設(shè)置報文優(yōu)先級，中間節(jié)點可根據(jù)報文優(yōu)先級的高低提供不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。6.能夠在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)報文的差錯控制和糾錯處理；7.可以進行傳輸速率和代碼格式的轉(zhuǎn)換, 從而使兩個傳輸速率、數(shù)據(jù)格式相異的端點可相互連接。 報文交換報文交換 報文交換方式的主要缺點是不適于實時通信或交互式通信，網(wǎng)絡(luò)的延時比較長，波動范圍比較大。所以不能用來傳輸聲音或圖像信號，也不適用于交互式通信。報文交換方式主要用在早

16、期的廣域網(wǎng)中。分組交換分組交換 分組交換與報文交換十分相似，但是需要將用戶的原始信息（報文）分成若干個小的數(shù)據(jù)單元來傳送，這些數(shù)據(jù)單元稱為分組（Packet），也可稱之為“包”。每個分組中必須附加一個分組標題，包含可供處理的控制信息（路由選擇、流量控制和阻塞控制等），交換機采用存儲/轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送每一個分組。 從原理上看，分組交換與報文交換相比似乎沒有明顯區(qū)別。 而事實上，限制數(shù)據(jù)單元的最大長度將會明顯地改善網(wǎng)絡(luò)性能。 分組交換技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)。 現(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)交換網(wǎng)、局域網(wǎng)都采用分組交換技術(shù)。數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報 在分組交換網(wǎng)中, 通常采用數(shù)據(jù)報（DG，Data Gram）和虛電路

17、（VC，Virtual Circuit）兩種方式來處理分組流。1.數(shù)據(jù)報：在數(shù)據(jù)報方式中, 每個分組將獨立地進行傳輸, 由于網(wǎng)絡(luò)的中間交換節(jié)點對每個分組可能選擇不同的路由, 這些分組到達目的端的順序可能與發(fā)送的順序不同, 因此目的端必須重新排序分組，組裝成一個完整的原始報文，如下圖所示。數(shù)據(jù)報交換過程數(shù)據(jù)報交換過程BCDEFAGH4133562323213241114虛電路虛電路 虛電路是分組交換網(wǎng)向用戶提供的另一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式，數(shù)據(jù)傳輸過程與電路交換方式類似，也經(jīng)歷三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和拆除連接。1.建立連接：建立連接：源端在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，先請求分組建立一條邏輯連接，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點

18、根據(jù)該請求在源端和目的端之間預(yù)先選擇一條傳輸路徑。（由于該路徑上的各段線路是共享的，并非獨占的，因此這種邏輯連接稱為虛電路。）2.數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)虛電路建立起來后，源端和目的端之間便可以在這條虛電路上交換數(shù)據(jù)。在虛電路服務(wù)方式中，用戶所有的分組均按已建立的路徑有序地通過網(wǎng)絡(luò)，因此接收端不需要對收到的分組重新排序，分組在網(wǎng)內(nèi)的傳送時延相對較小，且容易及時發(fā)現(xiàn)分組丟失。3.拆除連接：拆除連接：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后, 其中的任一個端點都可以發(fā)出拆除連接請求分組, 終止這個虛電路。虛電路交換過程虛電路交換過程計算機DTE ADCEA局DCEB局DCEC局計算機DTE B呼叫請求分組呼叫連通分組釋放請

19、求分組DCE釋放證實分組連接釋放數(shù)據(jù)傳輸呼叫建立P1P2P3傳播時延傳輸時延存儲/處理時延入呼叫分組呼叫接受分組t釋放指示分組釋放證實分組DTE虛電路虛電路 虛電路方式既不像電路交換那樣需要獨占線路，而是采用共享線路方式來建立連接，通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；它又不同于數(shù)據(jù)報方式，只是在建立虛電路時選擇一次路由，后續(xù)的各個分組只要使用該路由傳送即可，而無需重新選擇路由。 按虛電路方式通信，通信雙方便于進行流量控制和差錯控制，以保證按順序正確接收，所以虛電路意味著可靠的通信。當(dāng)然它沒有數(shù)據(jù)報方式靈活，效率也不如數(shù)據(jù)報方式高。 虛電路可以是暫時的，即會話開始建立，會話結(jié)束拆除，這叫做虛呼叫；也可

20、以是永久的，即通信雙方一開機就自動建立，直到一方(或同時)關(guān)機才拆除，這叫做永久虛電路。第第1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論通信系統(tǒng)的分類1傳輸技術(shù)5交換技術(shù)4 現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標26 光纖技術(shù)光纖技術(shù)1960年，美國人梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，使光通信成為可能。1966年，英籍華裔學(xué)者高錕和霍克哈姆發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出利用光纖傳輸信息的可能性和技術(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信的基礎(chǔ)。此后光纖通信發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在，單模光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率最高可達10Gb/s，無中繼傳輸距離可達100km150km。電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁

21、波，但是頻率差別很大。 光纖通信用的近紅外光（波長約1m）的頻率（約300 THz），比微波（波長為0.1m1 mm）的頻率（3300 GHz）高3個數(shù)量級以上。部分電磁波頻譜部分電磁波頻譜100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亞毫米波遠紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小若傳輸速率為若傳輸速率為2.5 Gb/s，中繼距離可達中繼距離可達150 km；若若傳輸速率為傳輸速率為10 Gb/s，中繼距離可達中繼距離可達100 km。 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大抗電磁干擾抗電磁干擾性能好性能好泄漏小，泄漏小， 保保密性能好密性能好速率等級：速率等級：155M、622M、2.5G、10G， 重量輕、重