第4章：現(xiàn)代電信技術 4.1-4.3節(jié).重郵通信職稱培訓：通信專業(yè)-綜合能力.ppt

1、通信專業(yè)綜合能力,第4章 現(xiàn)代通信技術,4.1 交換技術 4.2 光纖通信技術 4.3 衛(wèi)星通信技術,教學要求 了解：衛(wèi)星通信技術。 掌握：電信交換、光纖通信技術。,4.1交換技術,一、基本概念 通信的目的是在信息的源和目的之間傳送信息，這個源和目的對應的就是各種通信終端，比如兩個人要想通話，最簡單的就是各自拿兩個話機，用一條通信線路連接起來就可實現(xiàn)通話，如圖4-1（a）所示；同樣，兩個,人要想傳送文件，可各自使用一臺計算機，通過串口線經(jīng)RS232接口連接起來，實現(xiàn)信息的傳送，如圖4-1（b）所示。這種點到點的通信方式的系統(tǒng)構成如圖4-1（c）所示。,圖4-1點對點通信的實例,當存在多個終端，

2、而且希望它們中的任何兩個都可以進行點對點的通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，這樣的連接方式稱為全互連式。但這樣需要的連線數(shù)為 條。我們以五部電話機的連接為例，五個用戶要兩兩都能通話，則需要總電路數(shù)為10條，如圖4-2（a）所示。,當終端數(shù)目較少，地理位置相對集中時還可以采用這種全互聯(lián)式。如果用戶數(shù)量增多，全互連式需要的電路數(shù)量會增多，用在線路方面的投資也隨著增加。如10000個用戶，則需要 萬條電路。除此之外，這種方式在每次通話時還要考慮對方終端的連接情況，是否與自己的連線相連。同時，若新增一個終端，則需要與前面已有的所有終端進行連線，工程浩大，在實際操作中沒有可行性。,為了解決這一問

3、題，我們很自然地想到在用戶密集的中心安裝一個設備，把每個用戶的電話機或其他終端設備都用各自專用的線路連接在這個設備上。此設備相當于一個開關接點，平時處于斷開狀態(tài)，當任意兩個用戶之間交換信息時，該設備就把連接這兩個用戶的有關節(jié)點合上，這時兩用戶的通信線路連通。當兩用戶通信完畢，才把相應的節(jié)點斷開，兩用戶之間的連線就斷開。,由于該設備的作用主要是控制用戶之間連接的通斷，類似于普通的開關，所以稱其為交換設備（或交換節(jié)點）。在英文中就稱其為“switch”，交換技術就稱為“switch btechnology”。 我們同樣以六部電話機的連接為例，采用交換設備連接，僅需要六條電路，如圖4-2 （b）所示

4、。,圖4-2 用戶間連接圖,圖4-2（b）中，用戶環(huán)線（簡稱用戶線）是指用戶到交換機之間的連線。用戶間通過交換設備連接能使多個終端的通信成為可能。 2、交換的概念 所謂交換，就是在通信網(wǎng)上，負責在通信的源和目的終端之間建立通信信道傳送通信信息的機制。多個交換節(jié)點組成的電話交換網(wǎng)見圖4-3所示。圖4-3中，中繼線是指交換機與交換機之間的連線。,這里所說的通信網(wǎng)，是指由一定數(shù)量的節(jié)點（包括交換設備和終端設備）和連接節(jié)點的傳輸鏈路相互有機地組合在一起，以實現(xiàn)兩個或多個規(guī)定點間信息傳輸?shù)耐ㄐ朋w系。,圖4-3 多個交換節(jié)點組成的電話交換網(wǎng),面向連接和無連接,根據(jù)網(wǎng)絡傳遞用心信息時是否預先建立源端到目的端

5、的鏈接，可以將網(wǎng)絡使用的交換技術分為兩類：面向連接型和無連接型。 使用相應交換技術的網(wǎng)絡也依次稱為面向連接型網(wǎng)絡和無連接型網(wǎng)路。 在面向連接型的網(wǎng)絡中，兩個通信節(jié)點間典型的一次數(shù)據(jù)交換過程包含3個階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。其中連接建立和連接釋放階段傳遞的是控制信息，用戶信息則在數(shù)據(jù)傳輸階段傳輸。3個階段中最復雜和最重要的階段是連接建立。 在無連接的網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸前，不需要在源端和目的地之間預先建立通信連接，就可以直接通信。 面向連接方式適用于大批量、可靠的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，但網(wǎng)絡控制機制復雜；無連接方式控制機制簡單，適用于突發(fā)性強、數(shù)據(jù)量少的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。,4.1.2 業(yè)務特點,（1）

6、信息相關程度不同 數(shù)據(jù)通信的比特差錯率必須控制在10-8 語言通信比特差錯率可到10-3 （2）時延要求不同 （3）信息突發(fā)率不同,4.1.3、 電信網(wǎng)交換方式的分類,所謂交換方式是指對應于各種傳輸模式，交換機為完成其交換功能所采用的互通 (Intercommunication)技術。交換方式主要分為兩類。 1、電路交換方式（或線路交換方式） 網(wǎng)絡節(jié)點內部完成對通信線路（在空間或時間上）的連通，為數(shù)據(jù)傳輸提供專用的（或物理的）傳輸通路（即物理連接）。,物理連接是指用戶通信過程中，無論用戶有無信息傳送，交換網(wǎng)絡始終按照預先分配的物理帶寬資源保持其專用的接續(xù)通路。 2、存儲轉發(fā)交換方式（或信息交換

7、方式） 網(wǎng)絡節(jié)點運用程序方法先將途經(jīng)的數(shù)據(jù)流按傳輸單元接收并存儲下來；然后，選擇一條合適的鏈路將它轉發(fā)出去，在邏輯上為數(shù)據(jù)傳輸提供了傳輸通路（即邏輯連接）。,邏輯連接是指只有在用戶有信息傳送時，才按需分配物理帶寬資源，提供接續(xù)通路，因此邏輯連接也稱為虛連接。 存儲轉發(fā)交換方式又分為報文交換和分組交換。 圖4-4所示為主要的交換方式分類。,下面主要介紹電路交換、分組交換和ATM交換等典型的交換技術的工作原理和特點。,圖4-4 交換方式分類,一、 電路交換,1 、電路交換的基本過程 電路交換又稱為線路交換，它是以接通電路為目的的交換方式，電話網(wǎng)中就是采用電路交換方式。我們以打一次電話來體驗這種交換

8、方式。打電話時，首先是摘起話機，交換機送來撥號音，聽到撥號音后開始撥號。撥號完畢，交換機就知道了要和誰通話，,并為雙方建立一個連接，于是雙方進行通話。等一方掛機后，交換機就把雙方的線路斷開，為雙方各自開始一次新的通話做好準備。因此，我們可以體會到，電路交換的動作，就是在通信時建立(即連接)電路，通信完畢時拆除(即斷開)電路，如圖4-5所示。因此，我們可以說，電路交換就是當終端之間通信時，一方發(fā)起呼叫，獨占一條物理線路，在整個通信過程中雙方一直占用該電路，通信完畢時斷開電路的過程。,圖4-5 電路交換,整個電路交換的過程包括建立線路、占用線路并進行數(shù)據(jù)傳輸、釋放線路三個階段。,電路交換的特點：

9、獨占性：建立線路之后，釋放線路之前，即使站點之間無任何數(shù)據(jù)可以傳輸，整個線路仍不允許其它站點共享，因此線路的利用率較低，并且容易引起接續(xù)時的擁塞。 實時性好：一旦線路建立，通信雙方的所有資源（包括線路資源）均用于本次通信，除了少量的傳輸延遲之外，不再有其它延遲，具有較好的實時性。,線路交換設備簡單，不提供任何緩存裝置。 用戶數(shù)據(jù)透明傳輸，要求收發(fā)雙方自動進行速率匹配。 電路交換最大的缺點就是電路利用率低，帶寬固定不靈活。通信過程中始終獨占一條信道，以電話通信中的電路交換為例，電路接通后，講話的雙方總是一個在聽，一個在說，電路空閑時間大約是50。如果考慮說話過程中的停頓，那么空閑時間還要更多。,

10、有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電路交換的電路利用率只有36%左右。因此，電路交換比較適用于信息量大、長報文、恒定速率的語音用戶之間的通信。 電路交換經(jīng)歷了人工交換、機電式自動交換、程控交換三個階段。,2、 多速率電路交換和快速電路交換,（1）多速率電路交換 電路交換建立的連接通路通常只有一種傳輸速率，例如64Kbit/s。為了適應多種業(yè)務的需要，例如較高帶寬的業(yè)務，可以采用多速率電路交換，也就是將幾條連接捆綁起來供用戶使用。,雖然多速率電路交換可以根據(jù)業(yè)務需要提供不同的帶寬，但是其速率類型極其有限，僅限于某個基本速率（例如8Kbit/s）的整數(shù)倍，無法滿足業(yè)務多樣性的需要，而且交換機的實現(xiàn)比較復雜，成本將顯

11、著增加，因而并沒有得到實際應用。 （2）快速電路交換 為了克服電路交換固定分配帶寬的缺點，改善對不同業(yè)務需求的適應性，在,1982年人們提出了快速電路交換技術，其基本思想是只在信息要求傳送時才分配帶寬和有關資源。在呼叫建立時，要求通路上的交換節(jié)點分配并“記憶”所需的帶寬和去向，但并不占用該帶寬，稱為邏輯連接。當用戶發(fā)送信息時，交換機才通過呼叫標識確定并激活該邏輯連接，形成物理連接。,雖然快速電路交換提高了帶寬利用率，但控制復雜，時延和呼損比通常的電路交換大，靈活性又比不上下面所述的存儲轉發(fā)交換方式，因此也未得到實際應用。,二、 存儲轉發(fā)交換,由于電路交換的資源利用率低，不同類型的用戶間不能直接

12、互通，靈活性差，所以又發(fā)展了存儲轉發(fā)交換方式。存儲轉發(fā)交換分為報文交換和分組交換。下面分別加以討論。 1、報文交換 報文交換的基本思想就是“存儲轉發(fā)”。當用戶的報文到達交換機時，先將報文存儲在交換機的存儲器中,（內存或外存），當所需要的輸出電路有空閑時，再將該報文發(fā)向接收交換機或用戶終端。 在報文交換方式中是以報文為單位接收、存儲和轉發(fā)信息。為了準確地實現(xiàn)轉發(fā)報文，一份報文應包括以下三個部分：,（1）報頭或標題。它包括發(fā)信站地址、終點收信地址和其他輔助控制信息等。（2）報文正文。傳輸用戶信息。（3）報尾。表示報文的結束標志，若報文長度有規(guī)定，則可省去此標志。 報文交換的基本過程 報文交換方式的

13、基本過程如圖4-6所示。,圖4-6 報文交換工作原理圖,報文交換的基本思想就是“存儲轉發(fā)”。假定用戶甲有報文A, B和C要發(fā)往乙用戶時，甲用戶不需要先接通乙用戶之間的電路，而是先與連接甲的一中間節(jié)點（交換機）接通，將報文A，B和C先存儲下來；然后，分析報文提供的乙地址信息，根據(jù)地址信息接通下一個中間節(jié)點后，將報文A，B和C轉發(fā)出去；如此進行下去直到將數(shù)據(jù)報文A，B和C發(fā)往乙用戶。,報文交換的優(yōu)缺點 報文交換的主要優(yōu)點有：（1）可使不同類型的終端設備之間相互進行通信。因為報文交換機具有存儲和處理能力，可對輸入輸出電路上的速率和編碼格式進行變換。（2）在報文交換的過程中沒有電路接續(xù)過程，來自不同用

14、戶的報文可以在同一條線路上以報文為單位實現(xiàn)時分多路復用，線路可以以它的最高傳輸能力工作，大大提高了線路利用率。（3）用戶不需要叫通對方就,可以發(fā)送報文，所以無呼損，并可以節(jié)省通信終端操作人員的時間。同一報文可以由交換機轉發(fā)到不同的收信地點。報文交換方式的主要缺點有：（1）信息的傳輸時延大，而且時延的變化也大。（2）要求報文交換機有高速處理能力，且緩沖存儲器容量大，因此交換機的設備費用高。 可見，報文交換不利于實時通信，它適用于公眾電報和電子信箱業(yè)務。,2、分組交換,分組交換也稱包交換，是以信息分發(fā)為目的，把從輸入端進來的數(shù)據(jù)按一定長度分割成若干個數(shù)據(jù)段，這些,數(shù)據(jù)段叫做分組（或包），并且在每個

15、信息分組中增加信息頭及信息尾，表示該段信息的開始及結束。此外還要加上地址域和控制域，用以表示這段信息的類型和送往何處，還要加上錯誤校驗碼以檢驗傳送中發(fā)生的錯誤，然后由交換機根據(jù)每個分組的地址標志，在網(wǎng)中以“存儲一轉發(fā)”的方式傳到目的地。最后去掉控制信息，將分組還原成發(fā)端文件，交給收信端用戶，這一過程稱為分組交換。圖4-7為分組示意圖。,圖4-7 分組示意圖,雖然分組交換也采用存儲轉發(fā)機制，但是它和報文交換的不同之處在于：分組交換發(fā)送和接收的是由報文分割為若干較小的分組，而報文交換發(fā)送和接收的是整個報文。由于以較小的分組為單位進行傳輸和交換，所以分組交換比報文交換的速度快。 1）分組交換的基本過

16、程,在分組交換方式中，分組是被交換處理和傳送處理的對象。但是，接入分組交換網(wǎng)的用戶終端有兩類：分組型終端和非分組型終端（一般終端），前者能按照分組格式收發(fā)信息；后者必須在分組網(wǎng)內配置具有分組裝拆功能的分組裝拆設備（PAD），使不同類型的用戶終端可以互通。,圖4-8 分組交換的工作原理,分組交換的工作原理如圖4-8所示。假設分組交換網(wǎng)有3個交換節(jié)點（分組交換機1，2，3）。圖中畫出A，B，C，D 4個數(shù)據(jù)用戶終端，其中B和C為分組型終端，A和D為非分組型終端，即一般終端。分組型終端以分組的形式發(fā)送和接收信息，而一般終端發(fā)送和接收的是報文；所以報文要由分組拆裝設備PAD將其拆成若干個分組，以分組的

17、形式在,網(wǎng)中傳輸和交換；若接收終端為一般終端，則由PAD將若干個分組重新組裝成報文再送給一般終端。 圖4-8中存在兩個通信過程，分別是非分組型終端A和分組型終端C之間的通信，以及分組型終端B和非分組型終端D之間的通信。 非分組型終端A發(fā)出帶有接收端C地址的報文，分組交換機1將此報文拆成兩個分組，存入存儲器并進行路由選擇，,決定將分組1C直接傳給分組交換機2，將分組2C先傳給分組交換機3，再由交換機3傳給分組交換機2。最后由分組交換機2將兩個分組排序后送給接收終端C。由于C是分組型終端，因此在交換機2中不必經(jīng)過PAD，直接將分組送給終端C。 圖中另一個通信過程是：分組型終端B發(fā)送的數(shù)據(jù)是分組，在

18、交換機3中不必經(jīng)過PAD。三個分組經(jīng)過相同路由,傳輸，由于接收終端為一般終端，所以在交換機2中由PAD將三個分組組裝成報文送給一般終端D。 2）分組交換工作方式 分組交換可提供數(shù)據(jù)報和虛電路兩種工作方式。 （1）數(shù)據(jù)報方式,數(shù)據(jù)報中每一個分組都帶有完整的目的站地址，獨立地進行路由選擇，同一終端送出的不同分組可以沿著不同的路徑到達終點。在網(wǎng)絡終點，分組的順序可能不同于發(fā)端，需要重新排序。它的差錯控制和流量控制由主機完成。 圖4-9為數(shù)據(jù)報方式原理圖。圖中假設分組網(wǎng)有6個節(jié)點16，有3個數(shù)據(jù)用戶站AC。假設A站有3個分組的報文要傳送到C站，先將分組1，2，3一連串地發(fā)給節(jié)點1，節(jié)點1在收到分組后，

19、,必須對每個分組進行路由選擇。在分組1到來后，若節(jié)點1得知去節(jié)點2方向的分組隊列短于去節(jié)點4的，于是將分組1發(fā)往去節(jié)點2方向的隊列。若分組2也是如此，但對于分組3，節(jié)點1發(fā)現(xiàn)此刻去節(jié)點4的分組隊列最短，因此，將分組3發(fā)往去節(jié)點4的分組隊列中。在通往C站路徑的各節(jié)點上，都作類似的處理。從圖中還可以看出，雖然每個分組都有同樣的終點地址，但并不遵循同一路由，因而它們的時延也不同。,圖4-9 數(shù)據(jù)報方式原理圖,數(shù)據(jù)報有以下特點：1）數(shù)據(jù)報傳送協(xié)議簡單；2）數(shù)據(jù)報傳送不需建立連接；3）數(shù)據(jù)報分組到達終點的順序可能不同于發(fā)端，需重新排序；4）數(shù)據(jù)報各分組的傳輸時延差別可能較大。 （2）虛電路方式,虛電路方

20、式是兩個用戶終端設備在開始互相傳輸數(shù)據(jù)之前必須通過網(wǎng)絡建立一條邏輯上的連接（稱為虛電路），一旦這種連接建立以后，用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)（以分組為單位）將通過該路徑按順序通過網(wǎng)絡傳送到終點。當通信完成之后，用戶發(fā)出拆鏈請求，網(wǎng)絡拆除連接。,圖4-10為虛電路方式原理圖，它表示在虛電路建立階段每個節(jié)點根據(jù)當時邏輯信道忙閑情況，選擇一條空閑的邏輯信道，多段邏輯信道鏈接起來構成一條端到端的虛電路。圖4-25中數(shù)據(jù)終端站點A與數(shù)據(jù)用戶站點B建立的虛電路在節(jié)點1與節(jié)點2之間使用邏輯信道1，在節(jié)點2與節(jié)點3之間使用邏輯信道2，在節(jié)點3與節(jié)點4之間使用邏輯信道4。,虛電路的特點如下：1）一次通信具有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸

21、和呼叫清除3個階段，對于數(shù)據(jù)量較大的通信，傳輸效率高；2）收發(fā)之間的路由在數(shù)據(jù)傳送之前已被決定，不必為每個分組選擇路由，分組只根 據(jù)虛電路號就可在網(wǎng)中傳輸；3）分組按次序到達接收端，終點不需對分組重新排序；4）差錯控制與流量控制由網(wǎng)絡負責。,圖4-10 虛電路方式原理圖,分組交換的優(yōu)缺點 分組交換的主要優(yōu)點有：1）線路利用率高。分組交換以虛電路的形式進行信道的多路復用，實現(xiàn)資源共享，可在一條物理線路上提供多條邏輯信道，極大地提高線路的利用率。這是分組交換的一個主要優(yōu)點。2）不同種類的終端可以相互通信。分組網(wǎng)以X.25協(xié)議向用戶提供標準接口，數(shù)據(jù)以分組為單位在網(wǎng)絡內存儲轉發(fā)，使不同速率終端,不同

22、協(xié)議的設備經(jīng)網(wǎng)絡提供的協(xié)議變換功能后實現(xiàn)互相通信。3）信息傳輸可靠性高。網(wǎng)絡中的每個分組進行傳輸時，在節(jié)點交換機之間采用差錯校驗與重發(fā)的功能，因而在網(wǎng)絡中傳送的誤碼率大大降低。而且在網(wǎng)絡內發(fā)生故障時，網(wǎng)絡中的路由機制會使分組自動地選擇一條新的路由避開故障點，不會造成通信中斷。4）分組多路通信。由于每個分組都包含有控制信息，所以,分組型終端可以同時與多個用戶終端進行通信，可把同一信息發(fā)送到不同用戶。5）計費與傳輸距離無關。網(wǎng)絡計費按時長、信息量計費，與傳輸距離無關，特別適合那些非實時性而通信量不大的用戶。 分組交換的主要缺點有：1）信息傳輸效率較低。實現(xiàn)分組交換傳輸，由于網(wǎng)絡附加的傳輸控制信息較

23、多，特別是對較長的報文來說，分組交換的信息傳輸效率不如電路交換高。,2）實現(xiàn)技術復雜。分組交換機要對各種類型的“分組”進行分析處理，所需實現(xiàn)設備比較復雜。3）信息傳輸時延大。由于分組信息在傳輸過程中需要排隊等待，其時延是隨機的，因而分組交換的時延比電路交換的時延大很多。,3、快速分組交換幀中繼,早期的分組交換均采用逐段鏈路的差錯控制和流量控制，數(shù)據(jù)幀傳送出現(xiàn)差錯時可以重發(fā)，傳送質量有保證，可靠性高。但由于協(xié)議和控制復雜，信息傳送時延長，只能用于非實時的數(shù)據(jù)業(yè)務。 快速分組交換（fast packet switching，F(xiàn)PS）的思想是盡量簡化協(xié)議，使其只包含最基本的核心網(wǎng)絡,功能。此時網(wǎng)絡不

24、再提供差錯校正功而將此功能交由終端去完成，以實現(xiàn)高速、高吞吐量、低時延的交換傳送。典型的快速分組交換方式就是幀中繼（Frame Relay，F(xiàn)R）。 傳統(tǒng)分組交換包含物理層、鏈路層和分組層三層，對應于OSI七層結構的下三層，每一層都有其特定的功能。其中分組層傳送的數(shù)據(jù)單元稱為分組，鏈路層傳送的數(shù)據(jù)單元稱為幀。,幀中繼技術是分組交換的升級技術，它取消了分組層，是在OSI第二層上用簡化的方法傳送和交換數(shù)據(jù)單元的一種技術。幀中繼交換機僅完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層核心層的功能，將流量控制、糾錯控制等留給終端去完成，幀中繼的功能就好像是為數(shù)據(jù)幀的傳送提供了一條透明的中繼通路，由此得名為幀中繼。幀中繼技術大大

25、簡化了節(jié)點機之間的協(xié)議，縮短了傳輸時延，提高了傳輸效率,4、ATM交換,ATM是異步轉移模式（Asynchronous Transfer Mode）的英文縮寫，是在分組交換技術上發(fā)展起來的快速分組交換技術，被認為是目前已知的一種最適合于寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）的交換方式。 ATM交換可以說是快速分組交換和快速電路交換的結合。首先它是一種快速分組交換技術，但是和幀中繼不同的是,幀中繼的幀長是可變的，ATM交換的數(shù)據(jù)單元長度是固定的，稱為信元（cell)。實際上信元就是長度固定為53個字節(jié)的短分組，其中開頭5個字節(jié)稱為信頭（header)，放置信元本身的控制信息。其余48個字節(jié)稱為凈荷

26、(payload)，即用戶需傳送的具體信息，信息類型可以是語音、視頻、數(shù)據(jù)、文本等任意形式，也就是說，信元是所有媒體信息的統(tǒng)一載體。,ATM交換是信元中繼，屬于虛電路交換方式，在傳送信息之前必須先建立虛連接。,ATM的異步交換原理,在討論ATM交換技術時，首先回顧異步時分復用(統(tǒng)計時分復用）的原理，再介紹ATM的異步交換原理。 1、異步時分復用 傳統(tǒng)的以電路交換為基礎的傳遞模式中，常采用時分復用（TDM）技術，其基本方法是將時間按一定的周期分成若干個時隙。每個時隙攜帶用戶數(shù)據(jù)。,在連接建立后，用戶會固定地占用每幀中固定的一個或若干個時隙，直到相應的連接被拆除為止。而在接收端，則從固定的時隙中提

27、取出用戶數(shù)據(jù)。如圖4-11所示，某一用戶在建立連接時，由網(wǎng)絡系統(tǒng)將第2時隙分配給它，在通信過程中，它始終占用該時隙，而接收方每次只要從每幀的第2時隙中提取出數(shù)據(jù)就能保證收發(fā)雙方間數(shù)據(jù)通信的正確。,換句話說，收發(fā)雙方的同步是通過固定時隙來實現(xiàn)的。因此，稱這種時分復用技術為同步時分復用（STDM）。,圖4-11 同步時分復用,在異步時分復用中，用戶的數(shù)據(jù)不再固定占用各幀中某一個或若干個時隙，而是根據(jù)用戶的請求和網(wǎng)絡資源的情況，由網(wǎng)絡來進行動態(tài)分配。在接收端，也不再是按固定的時隙關系來提取相應用戶數(shù)據(jù)，而是根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中本身所攜帶的目的地信息來接收數(shù)據(jù)。在異步時分復用中，由于用戶數(shù)據(jù)并不固定地占

28、用某一時隙，而是具有一定的隨機性。因此，異步時分復用也稱為統(tǒng)計時分復用。,在圖4-12中，某一用戶在建立連接后，數(shù)據(jù)在第1幀中占用的是第2時隙，而在第K幀中則占用了第3時隙和第n-1時隙。由于在異步時分復用中，用戶數(shù),據(jù)不再固定占用某一個或若干個時隙。因此，其對帶寬資源的占用是動態(tài)的，這樣就可以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)量少或無數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，可以將帶寬資源供其他用戶使用，從而有效地利用帶寬資源。若某一用戶出現(xiàn)突發(fā)性數(shù)據(jù)時，又可通過網(wǎng)絡分配相應數(shù)量的時隙，以減少時延和避免不必要的數(shù)據(jù)丟失。,與同步時分復用技術比較，異步時分復用十分適用于突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務，但其同步操作和實現(xiàn)較為復雜。,圖4-12異步時分復用,A

29、TM交換的特點,在ATM網(wǎng)中，ATM交換機占據(jù)核心位置，ATM交換技術是一種融合了電路交換方式和分組交換方式的優(yōu)點而形成的新型交換技術，它具有以下主要特點。 1、ATM交換是以信元為單位進行交換，且采用硬件進行交換處理，提高了交換機的處理能力。ATM交換能支持高速、高吞吐量和高服務質量的信息交換,能提供靈活的帶寬分配，適應從很低速率到很高速率的綜合業(yè)務交換的要求。 2、ATM交換簡化了分組交換中許多通信規(guī)程，去掉了差錯控制和流量控制等功能，可節(jié)約開銷，增加了網(wǎng)絡的吞吐量。 3、ATM交換采用類似于電路交換的呼叫連接控制方式。在呼叫建立時，交換機為用戶在發(fā)送端和接收端之間建立起,虛電路，減少了信

30、元傳輸處理時延，保證了交換的實時性。 4、ATM交換的缺點是其技術過于復雜，協(xié)議的復雜性造成了ATM系統(tǒng)研制、配置、管理、故障定位的難度，使其推廣受到極大的限制。 表4-1列出了幾種常用交換技術的比較。,表4. 1 幾種常用交換技術的比較,計算機網(wǎng)絡分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。 交換技術有：網(wǎng)絡分段技術、局域網(wǎng)交換技術、路由器、高級路由器。,4.1.4 計算機網(wǎng)絡使用的交換技術,開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型(書146-148）,OSI參考模型如圖4-13所示，共有七層。,圖4-13 ISO的OSI參考模型,1、物理層（Physical Layer） 物理層是設備之間的物理接口，規(guī)定了標準的機

31、械、電氣、功能和規(guī)程特性，以便在數(shù)據(jù)鏈路層實體之間建立、保持和拆除物理連接。數(shù)據(jù)鏈路層實體通過接口將信息傳遞給物理層，在物理層提供的協(xié)議介質接口和功能的共同作用下，將接收的比特流按位串行傳輸?shù)捻樞蛲ㄟ^物理介質傳送到另一個數(shù)據(jù)鏈路層實體。,2、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer） 數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第二層，其主要任務是通過一定數(shù)據(jù)單元格式及誤碼控制方法來保證信息以幀為單位在鏈路上可靠傳送。為此該層在鏈路上要進行差錯控制、流量控制和順序控制，處理接收方發(fā)回的確認幀，識別和產生幀的邊界，對檢測出有差錯的幀要求進行重發(fā)。,3、網(wǎng)絡層（Network Layer） 網(wǎng)絡層是OSI參考模

32、型的第三層，它為兩傳輸層實體之間提供建立、保持和拆除網(wǎng)絡連接的手段，提供透明的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡層檢查網(wǎng)絡拓撲，以決定傳輸報文的最佳路由，其關鍵問題是確定數(shù)據(jù)包從源端到目的端如何選擇路由。作為通信子網(wǎng)的最高層，網(wǎng)絡層控制著通信子網(wǎng)的運行。,4、傳輸層（Transport Layer） 傳輸層是OSI參考模型的第四層。傳輸層及其以上各層協(xié)議一般統(tǒng)稱為高層協(xié)議，它是通信子網(wǎng)與上面三層之間的接口，傳輸層的基本功能是從會話層接收數(shù)據(jù)，并且在必要的時候把它分成較小的單元，傳遞給網(wǎng)絡層，并確保到達對方的各段信息正確無誤。,5、會話層（Session Layer） 會話層是OSI參考模型的第五層?！皶挕钡囊馑?/p>

33、是指在兩個不同系統(tǒng)的端機上運行的應用進程之間通過連接進行的對話。所以會話層的主要功能是建立和保持兩個表示層實體進程之間對話的連接，并管理它們之間的數(shù)據(jù)交換、保證按順序發(fā)送它們數(shù)據(jù)的要求，并給出確切回答，直到其中會話一方釋放為止。,6、表示層（Presentation Layer） 表示層是OSI參考模型的第六層。表示層提供一套格式化的服務，如不同信息格式和編碼之間的轉換，文本壓縮與恢復、數(shù)據(jù)加密與解密、代碼轉換、數(shù)據(jù)的格式化、語法的選擇等。表示層關注所傳輸信息的語法和意義，它把來自應用層與計算機有關的數(shù)據(jù)格式處理成與計算機無關的格式。,7、應用層（Application Layer） 應用層是

34、OSI參考模型的最高層，直接為用戶服務。應用層包含大量人們普遍需要的協(xié)議，并且具有文件傳輸功能。其任務是顯示接收到的信息，把用戶的新數(shù)據(jù)發(fā)送到低層。,OSI 7層模型中的主要功能分布,OSI與節(jié)點交換技術,掌握各種交換技術對應在OSI模型中的哪一層中完成功能。 書154-155,4.2 光纖通信 技術 基本概念,光導纖維簡稱光纖。所謂光通信就是利用光波來載送信息，實現(xiàn)通信的目的。光纖通信是以光波為載波，以光導纖維為傳輸媒質的一種通信方式。 由于光纖通信具有一系列優(yōu)異的特性，近年來，光纖通信技術發(fā)展速度之快，應用面之廣是通信史上罕見的。它,是世界新技術革命的重要標志，也是信息社會中各種信息網(wǎng)的主

35、要傳輸工具。 1、光纖通信的發(fā)展歷程 光波是人們最熟悉的電磁波，其波長在微米級、頻率為數(shù)量級、由圖4-14電磁波譜中可以看出，紫外線、可見光、紅外線均屬于光波的范疇。目前光纖通信使用的波長范圍是在近紅外區(qū)內，即波長為0.81.8um，可分為短波長波段和長波長波段。短波長波段是指波長為0.8um，長波長波段是指1.31um和1.55um，這是目前所采用的三個通信窗口。,圖4-14 電磁波譜,以光波來傳遞信息，首先需要將待傳送的信息變換成光波進行傳播，在收端再將光波反變換，恢復出傳遞的原始信息。圖4-15所示為光通信系統(tǒng)的基本組成框圖。,4-15 光通信系統(tǒng)組成框圖,現(xiàn)在以聲音信號為例來說明圖4-

36、15中光通信系統(tǒng)各部分的作用。聲音信號（聲音的強弱）首先經(jīng)過電端機變換為電信號（電壓或電流的強弱），然后將此電信號送到光終端中去，通過光電轉換變成光信號，并通過傳輸媒質將這個光信號傳送到遠方；在收端，通過光終端將光信號轉變成電信號，然后通過電終端將電信號還原成聲音信號，實現(xiàn)以光傳輸?shù)碾p方通話。由于光通信中光信號經(jīng)過一定距離的傳輸后不可避免地會有所衰減或失真，所以,傳輸過程中需要有一“加油站”對光信號進行整形或處理，這一“加油站”就是圖4-15中的中繼器。,2、光纖通信的特點 光纖通信與電通信方式的主要差異有兩點：一是用光頻作為載頻傳輸信號，二是用光導纖維構成光纜作為傳輸線路。因此，在光纖通信中

37、起主導作用的是產生光波的激光器和傳輸光波的光導纖維。,具有以下突出優(yōu)點。 1）傳輸頻帶很寬，通信容量大。,2）中繼距離長。,3）抗電磁干擾。,4）保密性好，無串話干擾。,5）節(jié)約有色金屬和原材料?，F(xiàn)有的電話線或電纜是由銅、鋁、鉛等金屬材料制成的，但從目前的地質調查情況來看，世界上銅的儲藏量不多，有人估計，按現(xiàn)在的開采速度只能再開采50年左右。而光纖的材料主要是石英（二氧化硅），地球上是取之不盡用之不竭的，并且很少的原,材料就可拉制出很長的光纖。 6）線徑細，重量輕。,當然，光纖本身也有缺點，如光纖質地脆、機械強度低；要求比較好的切斷、連接技術；分路、耦合比較麻煩等。但這些問題隨著技術的不斷發(fā)展

38、，都是可以克服的。,3、光纖的傳輸特性 損耗特性和色散特性是光纖的兩個主要傳輸特性。下面分別進行討論。 （1）光纖的損耗 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。光纖每單位長度的損耗，直接關系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短。 光纖自身的損耗大致包括兩類：吸收損耗和散射損耗。,吸收損耗是光波通過光纖材料時，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。 所謂散射，是指光通過密度或折射率等不均勻的物質時，除了在光的傳播方向以外，在其它方向也可以看到光，這種現(xiàn)象稱為光的散射。,（2）光纖的色散 光纖色散是光纖通信的另一個重要特性，簡單地說，光纖的色散就是由于光纖中光信號中

39、的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時，由于速度的不同而使得傳播時間不同，因此造成光信號中不同頻率成分或不同模式到達光纖終端有先有后，從而產生波形畸變的一種現(xiàn)象。,4、光纖通信的應用,4.2.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成 1、發(fā)射和接收 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)與一般通信系統(tǒng)相似，它由發(fā)送設備、傳輸信道和接收設備三大部分構成，如圖4-16所示。,圖4-16 光纖通信系統(tǒng)組成框圖,實用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)都采用數(shù)字編碼、強度調制直接檢波方式（IM/DDIntensity Modulation/Direct Detection）。強度調制是利用數(shù)字電脈沖信號直接調制光源的光強度或光功率，使光強度與數(shù)字電脈沖信

40、號電流成線性變化。直接檢波是把光脈沖信號通過光接收機還原成數(shù)字電脈沖信號。 什么是調制？調制的作用？ 什么是基帶信號？什么是已調信號？,圖4-16中，要傳輸?shù)男畔⑹紫冗M入電發(fā)射機，電發(fā)射端機的作用是對來信息進行處理以便用于發(fā)送信息轉換為電信號的形式，并進行調制和多路復用。然后，信號發(fā)送至光發(fā)射機，光發(fā)射機（包括激光器LD或發(fā)光二極管LED）將電信號轉換成光的形式并且這些光信號在光纖中傳輸。在接收端，光接收機（包括光電檢測器PIN）的作用是實現(xiàn)光/電轉換，即把來自光纖的光信號還原成電信號，經(jīng)放大、整形、再生恢復原形，最后電接收端機,完成對這些電信號的處理，從中提取出信息并以可用的形式（音頻、視頻

41、或數(shù)據(jù)輸出）來表示信息。 對于長距離的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，還需要中繼器，其作用是將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變后的微弱光信號放大、整形、再生成具有一定強度的光信號，繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質量。目前的中繼器都采用光一電一光形式，即將接收到的光信號，用光電檢測器變換為電信號，經(jīng)放大、整形、再生后再調制成光信號重新發(fā)出 。,2、基本光纖傳輸系統(tǒng) 光發(fā)射機、光纜和光接收機構成了光纖通信系統(tǒng)的三大主要部分。光端機指光發(fā)射機和光接收機。下面主要介紹其基本組成結構及作用。 （1）光發(fā)射機 光發(fā)射機的功能是把輸入電信號轉換為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路 光發(fā)射機由光源、驅動器和調制器組成

42、。,光發(fā)射機的核心是產生激光或熒光的光源，它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件。它的作用是將電信號轉換成光信號。光纖通信中常用的光源器件有半導體激光器 （LD）和半導體發(fā)光二極管（LED）兩種。,圖 光源實例圖,直接調制：書158 外調制：書158,（2）光纖線路 光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機的光信號，以近可能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。光纖線路由光纖、光纖接頭 和光纖連接器組成。 光纖線路的性能主要由攬內光纖的傳輸特性決定。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)要近可能地小，而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性。 目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖，單模光纖的傳輸特性比多模光纖

43、好，價格比多模光纖便宜，因而得到廣泛的應用。,（3）光接收機 光接收機的功能是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。 光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成，光檢測器是光接收機的核心。 對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。 光接收機中實現(xiàn)將光信號轉換為電信號的器件稱為光電檢測器。,目前數(shù)字光纖通信中常用的光檢測器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（ APD）。下圖為各種光電檢測器實例圖,光電檢測器,圖 為各種光電檢測器實例圖,光接收機是光纖通信系統(tǒng)中的一個重要組成部分。目前實用的光纖通信系統(tǒng)，在絕大多數(shù)情況下，所傳的是

44、數(shù)字信號（少數(shù)情況傳模擬信號，如傳電視信號的系統(tǒng)）。當前廣泛使用的強度調制直接檢波系統(tǒng)中數(shù)字光接收機的組成框圖如圖4-17所示。,圖4-17 數(shù)字光接收機組成框圖,光信號傳送到接收端，通過光電檢測器的光/電作用變成電信號，再送入前置放大器放大。之所以稱為前置放大器，是指該放大器與光電檢測器緊相連。前置放大器應具有低噪聲、高增益和足夠的帶寬特性，這樣才能得到較大的信噪比。前置放大器的輸出，一般為毫伏數(shù)量級。主放大器提供足夠的增益并受自動增益控制電路（AGC）的控制，對信號做進一步的放大。經(jīng)傳輸和放大后失真的信號由均衡器補償，減少波形失真，以滿足判決器再生信號的要求。,圖 光端機實例圖,4.2.3

45、 光纖通信網(wǎng)絡分類（填空）,1、按主要性能分 （1）按網(wǎng)的覆蓋范圍大小分類 可分為：寬域網(wǎng)、城域網(wǎng)和局域網(wǎng)。 （2）按通信業(yè)務分 可分為：計算機網(wǎng)絡和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng) （3）按網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率為 可分為：低速網(wǎng)、中速網(wǎng)和高速網(wǎng)。,2、按技術特征分 （1）按網(wǎng)的拓撲結構分類 可分為：總線型、環(huán)型、樹型以及組合。 （2）按介質接入控制子層 基本的復接方式分：有時分、波分（頻分）、空分和碼分4種。 基本的交換方式有：電路交換、分組交換和ATM交換，也可以采用混合交換。 （3）按技術體制為 可分為準同步數(shù)字（PDH)光傳輸網(wǎng)絡和同步數(shù)字（SDH)光傳輸網(wǎng)絡,PDH網(wǎng)絡可分為基群、二次群、三次群、四次群和五次

46、群 SDH網(wǎng)絡可分為STM-1、STM-4、STM-16 、STM-64,4.2.4 光纖接入網(wǎng)技術,1、光纖接入網(wǎng)概述 接入網(wǎng)是指本地交換機與用戶設備之間的實施網(wǎng)路，也稱為用戶網(wǎng)或本地網(wǎng)。 接入網(wǎng)定義為本地交換端局與用戶設備之間的實施習題。 光纖接入網(wǎng)是指在接入網(wǎng)中用光纖作為主要傳輸介質來實現(xiàn)信息傳送的網(wǎng)絡。 光纖接入網(wǎng)主要包括光線路中斷、光分配網(wǎng)、光網(wǎng)絡單元以及接入功能塊；接口包括網(wǎng)絡管理接口及用戶與網(wǎng)絡間接口。,2、光同步數(shù)字傳輸網(wǎng) 光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)是由一些SDH網(wǎng)絡單元（NE）組成，在信道上進行同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡。,目前實際應用的基本網(wǎng)絡單元有四種，即終端復用器（

47、TM）、分插復用器（ADM）、再生中繼器 （REG）和SDH數(shù)字交叉連接設備（SDXC）。,光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)有一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡節(jié)點接口（NNI)，即要規(guī)范統(tǒng)一的接口速率和信號的幀結構。 SDH的速率 SDH具有統(tǒng)一規(guī)范的速率。SDH信號以同步傳輸模塊（STM）的形式傳送。SDH信號最基本的同步傳輸模塊是STM-1，其速率為155.520 Mbit/s。更高等級的STM- N信號是將STM-1經(jīng)字節(jié)間插同步復接而成。其中，N是正整數(shù)。目前SDH僅支持N=1，4，16，64。,ITU-T G.707建議規(guī)范的SDH標準速率如表4-2所示。,表4-2 SDH標準速率,幀結構 STM-N信號幀結構的安排

48、應盡可能使支路低速信號在一幀內均勻地、有規(guī)律的分布。這樣便于實現(xiàn)支路信號的同步復用、交叉連接（DXC）、分/插和交換，也即為了方便從高速信號中直接上/下低速支路信號。 鑒于此，ITU-T規(guī)定了STM-N的幀是以字節(jié)（8bit）為單位的矩形塊狀的幀結構，如圖4-18所示。,圖4-18 SDH幀結構,從上圖可以看出STM-N的信號是9行270N列的幀結構。此處的N與STM-N的N相一致，取值范圍為1，4，16，64。表示此信號由N個STM-1 信號通過字節(jié)間插復用而成。由此可知，STM-1信號的幀結構是9行270列的塊狀幀，由上圖可以看出，當N個STM-1信號通過字節(jié)間插復用成STM-N信號時，僅

49、僅是將STM-1信號的列按字節(jié)間插復用，行數(shù)恒定為9行。,SDH信號幀傳輸?shù)脑瓌t是：幀結構中的字節(jié)（8bit）從左到右，從上到下一個字節(jié)一個字節(jié)（一個比特一個比特）的傳輸，傳完一行再傳下一行，傳完一幀再傳下一幀。 ITU-T規(guī)定對于任何級別的STM等級，幀頻是8000幀/秒（即每秒傳送8000幀），也就是幀長或幀周期恒定為125s。 從圖4-18可以看出，STM-N的幀結構由3部分組成：段開銷（SOH），包括,再生段開銷（RSOH）和復用段開銷（MSOH）；管理單元指針（AU-PTR）；信息凈負荷（payload）區(qū)域。,3、光纖通信中的復用技術,光纖通信中的復用技術有光波波分復用、光頻分復用

50、、時分復用以及副載波復用。 書161,4.3 衛(wèi)星通信技術,一、基本概念 1、衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信是在微波接力通信和航天技術基礎上發(fā)展起來的一門新興的通信技術。它是微波接力通信向太空的延伸，采用的是微波頻段。衛(wèi)星通信是指利用人造衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)無線電信號，在多個地球站之間進行的通信。由于作為中繼站的衛(wèi)星離地面很高，所以經(jīng)過,一次中繼轉接之后即可進行長距離的通信。 用于實現(xiàn)通信目的的人造地球衛(wèi)星被稱為通信衛(wèi)星。通信衛(wèi)星按結構劃分可分為無源衛(wèi)星和有源衛(wèi)星。無源衛(wèi)星只能反射無線電信號，現(xiàn)在已被淘汰。有源衛(wèi)星是指衛(wèi)星上裝有電子設備，可將接收到的地球站信號進行放大、頻率變換等項處理，再將其發(fā)送回地面，它

51、是一種有增益的、可部分補償傳播損耗的中繼站。,按衛(wèi)星的運轉軌道劃分，通信衛(wèi)星又分為靜止衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）和運動衛(wèi)星（非同步衛(wèi)星）。所謂靜止衛(wèi)星就是指發(fā)射到赤道上空35860km附近圓形軌道上的衛(wèi)星，其運動方向與地球自轉方向一致，并且繞地球一周的時間恰好24小時，與地球自轉周期相同，因而從地球看過去，如同靜止一般，固而稱為靜止衛(wèi)星。,圖4-19 同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星通信的特點 1）通信距離遠，通信成本與距離無關 如果采用地球靜止衛(wèi)星，只要3顆就可以基本實現(xiàn)全球的覆蓋。,2）以廣播方式工作，便于實現(xiàn)多址聯(lián)接,3）通信容量大 4）性能穩(wěn)定可靠,正是由于衛(wèi)星通信與其他通信手段相比有上述一些突出的優(yōu)點，僅僅

52、經(jīng)過30年的時間，便得到了迅速的發(fā)展。目前，它已成為現(xiàn)代化通信的一種重要手段。,4.3.2通信衛(wèi)星的組成 一個通信衛(wèi)星星上系統(tǒng)由控制分系統(tǒng)、衛(wèi)星通信分系統(tǒng)、遙測指令分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、溫控分系統(tǒng)等組成。,地球站 地球站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用有兩個，一是向衛(wèi)星發(fā)射信號；二是接收經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)的、來自其他地球站的信號。 按照安裝方式及規(guī)模不同，地球站可分為固定站、移動站和可拆卸站?？刹鹦墩臼侵冈诙虝r間內能夠拆卸并改變地點的站。按照用途不同，地球站又可分為民用、軍用、廣播、航海、氣象、,通信、探測等多種地球站。,4.3.3 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是指借助通信衛(wèi)星的轉發(fā)作用完成的移動通信。在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星相當于地面移動通信系統(tǒng)的基站，起著轉發(fā)信息的作用。由于衛(wèi)星高高在上，因而它的覆蓋范圍很大。利用衛(wèi)星來解決人煙稀少及無法建立地面基站地區(qū)的移動通信問題，是非常適合的。,1、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的分類 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，按所用軌道劃分，可分為靜止軌道（GEO）和中軌道（MEO）、低軌