B1-計算機網絡通信技術

信息時代與現(xiàn)代通信

n走向以信息技術為核心的知識經濟時代，這

就是所謂的信息時代。人類從石器時代到農

業(yè)時代，經歷了多少萬年，從農業(yè)時代到工

業(yè)時代經歷了幾千年，從工業(yè)時代到信息時

代經歷了近百年。直到20世紀末，人類逐漸

把計算機技術作為工具使用。特別是它與數(shù)

字通信融合發(fā)展到現(xiàn)代通信。使信息技術飛

躍發(fā)展，信息技術深入、廣泛應用成為這個

時代的主要標志。

通信的基本概念與分類

n什么是通信？

-通信就是信息的傳遞

n通信的分類

-古代通信

-近代通信

-現(xiàn)代通信

在遠古時候，我們的祖

先就已經能夠在一定范

圍內借助于呼叫、打手

勢或采取以物示意的辦

法來相互傳遞一些簡單

的信息，至今在我們的

生活中仍然能找到這些

方式的影子，如旗語

（通過各色旗子的舞

動），號角、燈塔、喇

叭、擊鼓敲鑼、風箏、

圖1烽火通信遺址

信號樹、信鴿等。

電信技術的發(fā)展歷史

1835年1876年1895年

電報誕生電話誕生線電報機誕

微電子技術發(fā)展1946年1918年

1948年晶體管研制成工

計算機出E波通信出

20世紀60年代20世紀60年代

數(shù)字通信發(fā)展

光纖技術發(fā)展動通信出壬

20世紀末

各種技術發(fā)展與融合

用戶數(shù)量暴漲、業(yè)務需求劇增

發(fā)展新機遇、新挑戰(zhàn)

通信技術發(fā)展簡史

1838莫爾斯有線電報1948晶體管香農IT通信統(tǒng)計理論建立

1864麥克斯韋電磁輻射方程1950時分多路通信應用于電話

1876貝爾電話1956越洋電話鋪設

1896馬克尼無線電報1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射

1906真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射

1918調幅廣播超外差接收機1960發(fā)明激光

1925三路明線載波電話多路通信1961發(fā)明集成電路

1936調頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星PCM進入實用

1937脈沖編碼調制1960彩電數(shù)字傳輸理論高速計算機

1938電視廣播1970LSI商用衛(wèi)星程控交換光纖通信

1940二戰(zhàn)刺激雷達和微波系統(tǒng)發(fā)1980SL8I長波光纖通信ISDN3G

展

近代通信

塞繆爾?莫爾斯(SamuelFinleyBreese

Morse,1791-1872),作為一名畫家是成功的。

莫爾斯曾兩度赴歐洲留學，在肖像畫和歷史繪畫

方面成了當時公認的一流畫家。1826年至1842年

任美國畫家協(xié)會主席。

他在1837年9月4日，莫爾斯制造出了一臺電報

機。

1844年5月24日，在華盛頓國會大廈聯(lián)邦最高法院會議廳

里，進行電報發(fā)收試驗。年過半百的莫爾斯在預先約定的時

間，興奮地向巴爾的摩發(fā)出人類歷史上的第一份電報。他的助

手很快收到那份只有一句話的電報：“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”

n在1896年德國建立了電報局如圖所示。

n圖1896年德國柏林中央電報局

n1876年，亞歷山大格雷厄姆貝爾利用電磁感

應原理發(fā)明了電話，預示著個人通信時代的

開始，如圖所示。

n貝爾及其發(fā)明的電話機

貝爾第一部話機結構示意圖

把聲音信號轉換成電信號，利用金屬導線作媒介

n最初的電話通訊只能在固定的兩部電

話機之間進行

n固定的兩部電話機之間的通話顯然不能

滿足人們的需要，人們希望有選擇地與

對方通話，由此想到建立一個人工電話

交換站。

n1879年，第一個專用人工電話交換系統(tǒng)投入

運行。1882年2月，丹麥大北電報公司在上

海外灘揚于天路辦起我國第一個電話局，用

戶好家—一二------

交換機的發(fā)展

經歷了三個階段：

一、人工交換機階段

二、機電式自動交換機階段

三、電子式自動交換機階段

*

?程控交換機是存儲程序控制交換機的

簡稱，記作SPC(StoredProgram

Contro1)o

?把電話交換機各種控制功能按步驟編

成程序存入存儲器，利用存儲器內所

存的程序來控制整個交換機工作。

電話交換機

從人工交換到自動交換

從模擬走向數(shù)字

模擬信號與數(shù)字信號

n通信系統(tǒng)中被傳輸?shù)男畔⒈仨氜D換成某種電信號（或光信號）

才能進行傳輸

n電（或光）信號有兩種形式：

-模擬信號形式：通過連續(xù)變化的物

理量（如信號的幅度）來表示信

息，例如人們打電話或者播音員播

音時聲音經話筒（麥克風）轉換得到模擬信號

的電信號；

信號

-數(shù)字信號形式：使用有限個狀態(tài)“強度

OofTTIonioooR

（一般是2個狀態(tài)）來表示（編碼）

信息，例如電報機、傳真機和計算數(shù)字信號

機發(fā)出的信號都是數(shù)字信號

傳統(tǒng)模擬電話網

對電信網的描述

n從連接方式上看(水平方向)

一用戶駐地網CPN(ConsumerPremisesNetwork)

-接入網AN(AccessNetwork)

-核心網CN(CoreNetwork)

用戶用戶

接入網核心網

駐型網接入網駐地網

將用戶接入到核心交換與傳輸部分。

用戶終端組成

網的部分。包含交換、中繼和

的網絡。

如：用戶環(huán)路(用長途網功能

如：電話機、戶到交換機之間的

計算機等線路與設施)

PSTN（公用電路交換網）結構示意圖

衛(wèi)星通道

用戶專用

m小型交換機

市話

交換機

長話局

交換機

微波中繼信道

光纖信道

帶寬電皴信道

長市

中繼線_

市內.

中繼線i

用戶線用戶緩

PSTN網絡的基本系統(tǒng)結構不意圖

公共交換電話網絡

(PublicSwitched

Telephone

Network)

公眾交換電話網的要素（PSTN）

客戶駐地設備

Handset

PSTN

公眾交換電話網的要素（PSTN）

該接入系統(tǒng)由提供給客戶的

接入線路組成（稱為本地環(huán)路）

和終端設備在端局

（最接近的電信局）。

卜卜卜

2.2.

接入線路接入線路

（本地環(huán)路）（本地環(huán)路）

端局（5級）

公眾交換電話網的要素（PSTN）

3o核心傳輸網

r

L了

zr

_r\

z_

_r口

PSTN的元素

n電話公司交換機

通信傳輸介質

2電纜通信與微波中繼通信

是較早發(fā)展起來的通信手段，用于長途

通信已有60年歷史，在有線通信中占有突出地位。

是20世紀60年代發(fā)展的，它彌補了

電纜通信的缺點。

微波站中繼站微波站

微波通信系統(tǒng)示意圖

一般的，物理介質可大致分為有線介質（銅

線和光纖）和無線介質（電波和光波）。

有線介質是最常用也最簡便的通信介質，一

直有大量的銅線和光纖應用于電話系統(tǒng)中。在廣

域網領域，利用現(xiàn)成的電話系統(tǒng)線路進行通信傳

輸幾乎是最實際也最簡便的方式，而在局域網領

域，利用改進的專用線纜進行通信傳輸也簡便易

行。常見的有線介質有雙絞線、同軸電纜、

光纖等。

非屏蔽雙較線接線

n2.同軸電纜

n由一根空心的外圓柱導體和一根位于中心軸

線的內導線組成，內導線和圓柱導體及外界之間

用絕緣材料隔開。同軸電纜大量用于有線電視

網。

外絕緣層

光纖通信:

1、什么是光纖、光纜？

光纖:光纖是光導纖維的簡稱，由直徑大約為0.1

mm的細玻璃絲構成。它透明、纖細，雖比頭發(fā)

絲還細，卻具有把光封閉在其中并沿軸向進行傳

播的導波結構。

光纜:光導纖維電纜由一捆纖維組成,簡稱為光纜。

基本上都由纜芯、加強元件和護層三部分組成。

光纖和同軸電纜外形相似只是沒有網狀屏蔽層，光

纖由纖芯、封套及外套組成。纖芯由一玻璃或塑料組

成，封套是玻璃的，使光信號可以反射回去，沿著光

纖進行傳輸，外套則由塑料組成，用于防止外界的傷

害和干擾。

封套（玻璃）

芯（玻璃）遠供電源線

外套（塑料）

光纖及其包層

填充物

加強芯

包帶層

（a）單根光纖的側視圖（b）一束四芯光纖的剖面圖

光纖

傳輸

o

光纖通信的發(fā)展與應用

n從上世紀80年代起，世界各國開始大規(guī)模鋪設光纖

通信線路，光纖傳輸網已經成為幾乎所有現(xiàn)代通信

的基礎平臺

n高速光纖數(shù)字傳輸線路采用統(tǒng)一的國際標準，稱為

同步數(shù)字系列(SDH),又稱為同步光纖網

(SONET),它既是電話和有線電視的骨干傳輸網，

又是計算機網絡的骨干網

無線上網：從此走向自由之路

長程無線衛(wèi)星網絡包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，GPS定位系統(tǒng)

網絡技等

術

中程無線移動通信網包括GSM、GPRS、3G以及PHS在

網絡技絡內的已種廣泛應用或止在發(fā)展中

術的各種無線通信系統(tǒng)

短程無線無線局域網提供組織內部通信和信息資源的無

網絡技線訪問

術藍牙技木實現(xiàn)小范圍內數(shù)字設備的無線通信

紅外技術低成本、跨平臺、點對點高速數(shù)據

連接

RF技術非接觸式射頻識別技術

無線傳輸

無線介質可以不使用電或光導體進

行電磁信號的傳遞工作。無線傳輸包括

衛(wèi)星通信、微波通信和移動通信三類

電磁波的種類與頻率范圍

無線電波：104?10"(Hz)

中波：(MHz)

0.3?3無線廣播

短波：3?30(MHz)

超短波：30?300(MHz)電視、通信

微波：0.3?300(GHz)

紅外線：10"?1014(Hz)

通信

可見光：1014(Hz)

紫外線：1014?1016(Hz)

微波通信

n微波：300MHz?300GHz范圍內

的電磁波，波長為1m?1mm

n特點：

-直線傳播，不能沿地

球表面?zhèn)鞑?無繞射

性)，需要每隔幾十公

里設立一個中繼站

-容量大、可靠性高

-建設費用低

-抗災能力強

n應用：長途電話、蜂窩移

動電話、全數(shù)字高清晰度

電視(HDTV)等

衛(wèi)星通信

n衛(wèi)星通信：中繼站在人造地球衛(wèi)星

上的一種微波通信

-優(yōu)點：通信距離遠、頻帶寬、容量大、

抗干擾強、通信穩(wěn)定

-缺點：造價高、技術復雜、有較大延時

赤道上方高度為35800公里的地方為

,衛(wèi)星的運行周期與地球自轉一圈的

周期相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不

動。一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋約120。，3顆

同步定點軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部

面積，進行二十四小時的全天候通信

衛(wèi)星通信

I氣象衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)

星。

I今天，部分國際通信和全部的國際電視轉播都是

由這些衛(wèi)星和相應的地面設備完成的。

I最早提出用同步衛(wèi)星進行通信設想的人是英國科

學家阿瑟C克拉克。

I1945年10月他大膽地提出這個設想。

三顆同步衛(wèi)星可把地球表面除極地以外的地區(qū)覆

蓋，實現(xiàn)全球通信。覆蓋區(qū)域如圖：

覆蓋

覆蓋盲區(qū)

每兩顆相鄰衛(wèi)星都有一定的重疊覆蓋區(qū),

北兩極地區(qū)則為盲區(qū)。目前正在使用的國際通信衛(wèi)星

系統(tǒng)就是按這個原理建立的,其衛(wèi)星分別位于大西洋、

衛(wèi)星通信的重要應用GPS

n例——美國研制GPS系統(tǒng)

-24顆衛(wèi)星在1.2萬公里高空以12小時的=12

周期繞地球運行

-地面任意點在任何時刻都可同時觀測

至U4顆以上衛(wèi)星

n原理：

-由于衛(wèi)星的位置是精確可知的，通過

地面接收機可測得與衛(wèi)星的距離，利

用三維坐標中的距離計算公式，就可

以推導出接收機的地理位置（經度、緯

度和高程）

定位精度：

-民用大約幾十米

I1957年10月4日，前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星發(fā)送成

功；

II960年8月，美國發(fā)送回聲1號氣球衛(wèi)星，到1600

公里高度。

I1962年發(fā)射了中繼1號人造衛(wèi)星，轉年完成橫跨

大西洋的日美間電視轉播。

I1964年8月世界上第一顆同步3號衛(wèi)星發(fā)射成功，

10月，這顆衛(wèi)星把東京奧運會比賽的電視實況傳

送到美國。

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星

中國的葫一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅”1號

移動通信

(1)什么是移動通信

(2)移動通信原理

(3)第2代和第3代移動通信

什么是移動通信？

n處于移動狀態(tài)的對象相互間的通信，如手機、無繩電話、尋呼系

統(tǒng)等

mobiletelephone

switchingotlice

(MISO)publicswitched

telephonenetwork

r

camngparty

移動電in

話交換___I

中心公用電話網

基站caiteaparty

移動臺

（手機）

蜂窩電話

nCellsites

蜂窩電話

隹蜂窩技術中，把該區(qū)域分為小蜂窩

在每一個蜂窩中，cells讓e服務

該蜂窩內的所有手機。

蜂窩移動通信原理

n每的區(qū)域稱為單元（形似

蜂窩），單元的中央建有一個基站，

該單元內所有手機都向該基站發(fā)送信

號并接收基站發(fā)給的信號

n所有單元既相互分割，又彼此有所交

疊，連成整個移動通信服務網n每個蜂窩單元中有

n所有基站都通過微波或電纜、光纜與多個信道（GSM）。

移動交換中心通信n相鄰單元不允許使用

n手機每個時刻都處于某個特定單元的相同的頻率，不相鄰

基站控制之下，通話時使用兩個頻率單元的頻率允許重用

（一個上行頻率，一個下行頻率），

同一單元內同一時刻的不同手機使用

不同的頻率進行通信，相互不影響

第二代

n傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號

n使用頻段：900MHz/1800MHz

n我國使用的2種標準：

-GSM（歐洲移動通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng)）

n中國電信的GSM網已基本實現(xiàn)縣以上城市的覆蓋，接入號有

139?135、130

n采用頻分多路復用技術（分為124個上下行信道）和時分多路復用

（每個信道8個連接），每個蜂窩理論上支持992個連接，實際上可

有200多個

-DMA（碼分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess）

n所有手機都占用相同帶寬和頻率，在整個頻段上進行信號傳

輸，但它們分別采用不同的編碼原理加以區(qū)分，即CDMA給每

一手機分配一個唯一的碼序列（擴頻碼），并用它對承載信

息的信號迸行編碼

nit干擾能力強，系統(tǒng)容量大，接通率高，噪聲小，

第三代

n第2代移動通信的不足：

(1)數(shù)據傳輸速率過低(9.6kb/s或57kb/s)

(2)容量有限，不能滿足發(fā)達地區(qū)手機用戶高度密集的要求。

(3)不能實現(xiàn)覆蓋全球的無縫連接

n第3代移動通信技術(簡稱3G)的目標：

(1)全球漫游

(2)適應多種環(huán)境，地面移動通信與衛(wèi)星移動通信相結合

(3)提供高質量的話音通信、數(shù)據通信和高分辨率圖像通信

(4)提供足夠的系統(tǒng)容量，具有高保密性和優(yōu)質的服務

n技術：

-頻譜：1885MHz~2025MHz,2110MHz-2200MHz

-傳輸速率：室內：2Mb/s,步行：384kb/s,快速移動：

114kb/s

-標準：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(時分-同步碼分多址

接入)

移動通信技術的發(fā)展歷程

WiMAX

3破術演進簡介

DORev.BLBC

（多載波）

DODL:100Mbps-1Gbps

DL:2.4MbpsDL:46.5MbpsUL:50-100Mbps

UL:153.6kbpsUL:27Mbps

CDMA2000無線移動技術標準演進路線

呢

WCDMA無線移動技術標準演進路線睇

P8

FDD騁3ff曲i

LTE"q

DL:100MbpsAH

UL:50Mbpss

-福

s袋

TD-SCDMA無線移動技術標準演進路線生

384kb/s

WiMAX寬帶無線演進路線

802.16e

4-70Mbps1Gbps

2001-2005?

2006-20072008-2010

3GPPLTE概述

兩種模式：TDD-LTE和FDD-LTE)

LTE是英文LongTerm

Evolution的縮寫，始于2004年

3Gpp的多倫多會議。LTE也被通

俗的稱為3.9G,被視作從3G向

4G演進的主流技術。

LTE：更高性能，更低成本

220kbpsDL750ms

移動性

吞吐量延遲1乂字節(jié)■成本*

漫游

Source:AnalysisResearch,2006

下一代移動通信技術簡介

04G是第四帶移動通信及技術的簡稱，是集3G與

WLAN于一體并能傳輸高質量視頻圖像，以及圖像傳

輸質量與高清晰電視不相上下的技術產品。

04G通信技術是繼第三代以后的又一次無線通信

技術演進，其開發(fā)更加具有明確的目標性：提高移動

裝置無線訪問互聯(lián)網的速度。

0ITU對4G要求的峰值速率為：（1）低速移動、熱點

覆蓋場景下1Gb巾s以上。（2）高速移動、廣域覆蓋場景

T100Mbit/So

4G標準

2009年，ITU已完成4G標準候選技術的征集，共收

到6個4G標準候選提案，分別來自中國、日本、韓國、

歐洲標準化組織3Gpp和北美標準化組織IEEE,這些提案

涵蓋了LTE-Advanced和802.16m兩種技術。中國提交的

技術為TD-LTE-Advanced,3Gp唯交的LTE-Advanced技

術了包括FDD和TDD模式，IEEE提交的貝ij是802.16m,

日本提交的提案涵蓋LTE-Advanced和802.16m,韓國提

交的是802.16m。

現(xiàn)代電話通信網絡

地

地

球

球

站

站

年

市

數(shù)

數(shù)

微

微

字

內

字

途

波

波

多

交

多

發(fā)

設

路

設

換

,路

設

設

設

備

俊

備

/

備

備

備

備

光

光

傳

傳

移

輸

輸

基動

終

終

站交光再生中繼設備

端

端

換（光放大器）

設

設

基設