《信息科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論》課件-第6章

第6章信息傳輸技術(shù)6.1現(xiàn)代通信概述6.2無線通信6.3衛(wèi)星通信6.4移動(dòng)通信6.5光通信6.6量子通信6.7本章小結(jié)

◆教學(xué)提示

現(xiàn)代信息傳輸技術(shù)的主要分支包括：衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光纖通信、計(jì)算機(jī)通信等。本章主要介紹現(xiàn)代通信技術(shù)的基本概念、基本原理、基本通信系統(tǒng)。其中，重點(diǎn)是移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

在信息時(shí)代，人們需要獲得信息、處理信息和傳輸信息，這就是信息技術(shù)的三個(gè)主要分支：感測技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)。6.1現(xiàn)代通信概述6.1.1通信的概念

所謂通信，就是信息的傳遞。這里所說的“傳遞”，可以認(rèn)為是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式。信息傳遞包括：

(1)空間的傳遞：就是通常所說的信息傳輸。

(2)時(shí)間的傳遞：就是信息存儲。

在本章里，我們所討論的，是特指利用各種電信號和光信號作為通信信號的電通信與光通信，就是人們常說的電信。6.1.2通信的發(fā)展

自19世紀(jì)初電通信技術(shù)問世以來，短短的100多年時(shí)間里，通信技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異，出現(xiàn)了許多新技術(shù)。

根據(jù)各種通信技術(shù)在通信發(fā)展史上的地位、作用以及對人類社會(huì)的影響，對過去的100多年通信技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)行了概括性的總結(jié)，其中有10項(xiàng)重大通信技術(shù)值得人們紀(jì)念。分別介紹如下：

(1)莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)。有線電報(bào)開創(chuàng)了人類信息交流的新紀(jì)元。

(2)馬克尼發(fā)明無線電報(bào)。無線電報(bào)為人類通信技術(shù)開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。

(3)載波通信。載波通信的出現(xiàn)，改變了一條線路只能傳送一路電話的局面，使一個(gè)物理介質(zhì)上傳送多路音頻電話信號成為可能。

(4)電視。電視極大地改變了人們的生活，使傳輸和交流信息從單一的聲音發(fā)展到實(shí)時(shí)圖像。

(5)電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)被公認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，它加快了各類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

(6)集成電路。集成電路為各種電子設(shè)備提供了高速、微小、功能強(qiáng)大的“心”，使人類的信息傳輸能力和信息處理能力達(dá)到了一個(gè)新的高度。

(7)光纖通信。光導(dǎo)纖維的發(fā)明，使人們尋求到一種真正能夠承擔(dān)起構(gòu)筑未來信息化基礎(chǔ)設(shè)施傳輸平臺重任的通信介質(zhì)。

(8)衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信將人類帶入了太空通信時(shí)代。

(9)蜂窩移動(dòng)通信。蜂窩移動(dòng)通信為人們提供了一種前所未有、方便快捷的通信手段。

(10)因特網(wǎng)。因特網(wǎng)的出現(xiàn)意味著信息時(shí)代的到來，使地球變成了一個(gè)沒有距離的整體。6.1.3通信系統(tǒng)模型

通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)通常是指，由通信收、發(fā)雙方和信道組成的器件與設(shè)備的全體。通信系統(tǒng)是研究通信問題的基本概念。

最簡單的基于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信系統(tǒng)的一般模型可用圖6-1來描述。

圖6-1通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的發(fā)送端由信源和發(fā)送設(shè)備組成。

信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號。例如，電話機(jī)、手機(jī)和計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備就包括信源。

發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合

在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式是多種多樣的，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常還包括信源編碼、信道編碼和加密編碼。信道是指傳輸信號的物理通道。在無線通信和移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道是無線的，例如，信道可以是大氣(自由空間)。在有線通信中，信道是有線的，例如，信道可以是明線、電纜或光纖。

噪聲源不是人為加入的，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的。噪聲的來源是多種多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而外部噪聲往往是從信道引入的。通信系統(tǒng)的接收端由接收設(shè)備和信宿組成。

接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來。

信宿是信息傳輸?shù)臍w宿點(diǎn)，其作用是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。6.1.4通信方式的分類

常用的通信方式有以下幾種：

1)同頻單工制

同頻是指，通信的雙方使用相同工作頻率。單工是指，通信的雙方的操作采用“按—講”(PTT)方式，如圖6-2所示。平時(shí)，雙方的接收機(jī)均處于守聽狀態(tài)。如果A方需要發(fā)話，可按下PTT開關(guān)，發(fā)射機(jī)工作，并使A方接收機(jī)關(guān)閉。這時(shí)，由于B方接收機(jī)處于守聽狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)由A至B的通話。

圖6-2同頻單工制方式示意圖

2)半雙工制

半雙工制方式如圖6-3所示，中心轉(zhuǎn)信臺(A)使用一組頻率，而移動(dòng)臺(B)采用單工制，主要用于有中心轉(zhuǎn)信臺的無線調(diào)度系統(tǒng)。

圖6-3半雙工制方式示意圖

3)雙工制

雙工制方式如圖6-4所示，是指通信雙方的收發(fā)信機(jī)均同時(shí)工作，即任一方在發(fā)話的同時(shí)也能收聽到對方的話音，無需按PTT開關(guān)，類同于平時(shí)打市話，使用自然，操作方便。

圖6-4雙工制方式示意圖6.1.5通信系統(tǒng)的分類

通信系統(tǒng)的分類方式很多。

1.按信號特征分類

根據(jù)信道傳輸信號種類的不同，通信系統(tǒng)可分為兩大類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，如大家熟悉的電話、廣播和電視系統(tǒng)；信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，如數(shù)字電話通信系統(tǒng)。

2.按傳輸介質(zhì)分類

按傳輸介質(zhì)的不同，通信系統(tǒng)可以分為：無線通信系統(tǒng)和有線通信系統(tǒng)。

利用無線電波、紅外線、超聲波、激光進(jìn)行通信的系統(tǒng)稱為無線通信系統(tǒng)。廣播系統(tǒng)、移動(dòng)電話系統(tǒng)、傳呼通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)等都是無線通信系統(tǒng)。

無線通信系統(tǒng)的信道為無線信道，如圖6-5所示。

圖6-5無線信道用導(dǎo)線(包括電纜、光纜和波導(dǎo)等)作為介質(zhì)的通信系統(tǒng)就是有線通信系統(tǒng)，如市話系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、普通的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等。

常用的有線信道如圖6-6所示。

如圖6-6(a)所示，明線電纜是雙線并行導(dǎo)體。它僅僅由兩根并行線組成，中間由空氣隔離，這類傳輸線的惟一優(yōu)點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)簡單。因?yàn)闆]有屏蔽，所以明線傳輸線輻射損耗高并且易受噪聲的影響，這些是明線傳輸線最大的缺點(diǎn)。如圖6-6(b)所示，雙線電纜是另一種雙線平行導(dǎo)體傳輸線。雙線電纜通常稱為帶狀電纜，它采用連續(xù)固體絕緣體取代明線電纜兩導(dǎo)體間的襯墊，以確保沿整個(gè)電纜均衡間隔。

雙絞線電纜如圖6-6(c)所示。雙絞線電纜是由兩根絕緣的導(dǎo)體扭絞在一起而形成的。雙絞線電纜的主要參數(shù)是電參數(shù)(阻抗、感抗、電容和電導(dǎo)率)，它們要隨物理環(huán)境，如溫度、濕度和機(jī)械壓力以及制造工藝誤差等因素的變化而變化。屏蔽電纜對是在平行雙線導(dǎo)體傳輸線外包上導(dǎo)電的金屬編織物。屏蔽的平行線對如圖6-6(d)所示，它包括兩個(gè)由固體絕緣體分隔的平行導(dǎo)體。整個(gè)結(jié)構(gòu)包裹在編織導(dǎo)管中，然后再覆蓋保護(hù)的塑料外套。

圖6-6(e)和(f)為同軸電纜，包括一個(gè)中心導(dǎo)體，周圍是同心的(與中心距離相同)外部導(dǎo)體。在相對高的頻段上，同軸外導(dǎo)體提供極好的屏蔽以防止外部干擾。然而在低頻應(yīng)用中，屏蔽的作用并不有效。

圖6-6常用有線信道微帶線是一個(gè)由絕緣體隔離的、與接地板分離的平面導(dǎo)體。圖6-6(g)給出了一個(gè)簡化的單軌微帶線路。接地板作為電路的公共點(diǎn)，必須至少是上層導(dǎo)體寬度的10倍，而且要連接到地。

圖6-6(h)波導(dǎo)是一個(gè)空心導(dǎo)管，它們的內(nèi)表面可以反射電磁波。如果波導(dǎo)管壁是良導(dǎo)體且很薄，則壁內(nèi)無電流流過，因此能量損耗很少。通過波導(dǎo)管內(nèi)的電介質(zhì)傳播能量，其電介質(zhì)通常是干燥的空氣。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，單純的有線或無線通信系統(tǒng)越來越少，實(shí)際通信系統(tǒng)常常是有線與無線兩種方式結(jié)合起來使用。

現(xiàn)在的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等，都是這種應(yīng)用的典范。

3.按調(diào)制方式分類

按調(diào)制與否，通信系統(tǒng)可分為：基帶通信系統(tǒng)和調(diào)制通信系統(tǒng)。

基帶系統(tǒng)傳輸?shù)氖腔鶐盘?，即沒有經(jīng)過任何調(diào)制處理的信號；而調(diào)制通信傳輸?shù)氖且颜{(diào)信號。

4.按通信業(yè)務(wù)分類

按傳送信息的物理特征不同，通信系統(tǒng)可分為：電話通信系統(tǒng)、電報(bào)通信系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)、電視通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。

5.按工作波段分類

按使用波長的不同，通信系統(tǒng)可分為：長波通信系統(tǒng)，中波通信系統(tǒng)，短波通信系統(tǒng)，微波通信系統(tǒng)和光通信系統(tǒng)等。

一種通信系統(tǒng)可以分屬不同的種類，例如，我們所熟悉的無線電廣播既是中波通信系統(tǒng)、調(diào)制通信系統(tǒng)、模擬通信系統(tǒng)，也是無線通信系統(tǒng)。

無論怎樣劃分，通信系統(tǒng)都只是在信號處理方式、傳輸方式或傳輸介質(zhì)等外在特征上做文章，其通信的實(shí)質(zhì)并沒有改變，即大量地、快速地、準(zhǔn)確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟(jì)地、安全地傳送信息。

6.2.1無線通信的特點(diǎn)

無線通信是利用電磁波傳播進(jìn)行信息傳輸。無線通信的信道是無線信道，其特點(diǎn)是：

(1)信道是隨參信道；

(2)多普勒效應(yīng)；

(3)多徑效應(yīng)；

(4)大氣傳播效應(yīng)；

(5)隨機(jī)衰落現(xiàn)象等。6.2無線通信目前，近距無線通信技術(shù)，如藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)和紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)等技術(shù)得到了廣泛的使用。

另外，新型的通信技術(shù)正在崛起，它們分別是：Zigbee、超寬頻(UltraWideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。它們都有各自立足的特點(diǎn)，或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊要求；或著眼于功能的擴(kuò)充性；或符合某些單一應(yīng)用的特別要求；或建立競爭技術(shù)的差異化等。但是沒有一種技術(shù)可以完美到足以滿足所有的需求。6.2.2常用通信系統(tǒng)

1.微波通信系統(tǒng)

微波通信是指用微波頻率作載波攜帶信息進(jìn)行通信的方式。

微波的傳播特性類似于光的傳播，微波信號沿直線傳播，繞射能力很弱，一般只能進(jìn)行視距內(nèi)的傳播。所謂視距傳播，是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內(nèi)的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等都可以采用這種傳播方式。

2.散射通信系統(tǒng)

散射通信系統(tǒng)是利用散射波進(jìn)行通信的。

電波在低空對流層中遇到不均勻的“介質(zhì)團(tuán)”時(shí)，就會(huì)發(fā)生散射，散射波的一部分到達(dá)接收天線處，這種傳播方式稱為不均勻媒質(zhì)的散射傳播，如圖6-7所示。

圖6-7不均勻媒質(zhì)的散射傳播

1)對流層散射通信

對流層散射主要用于100MHz以上的頻段。對流層是大氣的最低層，通常是指從地面算起至高達(dá)13±5千米的區(qū)域。

這種傳播方式的優(yōu)點(diǎn)是容量大、可靠性高、保密性好、單跳跨距達(dá)300～800?km，一般用于無法建立微波中繼站的地區(qū)，如用于海島之間或跨越湖泊、沙漠、雪山等地區(qū)。

2)流星余跡通信

流星余跡通信系統(tǒng)也是一種散射通信系統(tǒng)。它利用流星余跡形成的不均勻媒質(zhì)的散射傳播實(shí)現(xiàn)通信。

由于流行余跡具有隨機(jī)性，因此，流星余跡通信具有很強(qiáng)的保密性。西安電子科技大學(xué)在20世紀(jì)70年代開始研究流星余跡通信，取得了許多成果，在國防科技中得到了重要應(yīng)用。

3.無線尋呼系統(tǒng)

無線尋呼系統(tǒng)是一種單向無線通信系統(tǒng)。無線尋呼系統(tǒng)的用戶設(shè)備是袖珍式接收機(jī)，稱作袖珍鈴，俗稱“BB機(jī)”。無線尋呼系統(tǒng)的組成如圖6-8所示。

圖6-8無線尋呼系統(tǒng)組成示意圖

4.無繩電話系統(tǒng)

無繩電話系統(tǒng)是一種雙向無線通信系統(tǒng)。它把普通的電話單機(jī)分成座機(jī)和手機(jī)兩部分，座機(jī)與有線電話網(wǎng)連接，手機(jī)與座機(jī)之間用無線電連接。這樣，攜帶手機(jī)的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)并進(jìn)行通話，如圖6-9所示。

圖6–9無繩電話系統(tǒng)示意圖

6.3.1微波接力通信

微波接力通信是指用微波頻率作載波攜帶信息進(jìn)行的接力通信。

對于長距離通信可采用接力的方式，這就是微波接力通信，如圖6-10所示。6.3衛(wèi)星通信

由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50千米左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。長距離微波通信干線，可以經(jīng)過幾十次中繼，而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。

圖6-10微波接力通信微波中繼站的設(shè)備包括天線、收發(fā)信機(jī)、調(diào)制器、多路復(fù)用設(shè)備以及電源設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備等。中繼站的作用是將信號進(jìn)行再生、放大處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)中繼站，以確保傳輸信號的質(zhì)量。

為了把電波聚集起來成為波束送至遠(yuǎn)方，一般都采用拋物面天線，其聚焦作用可大大增加傳送距離。6.3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)

自從1945年，克拉克提出三顆對地球同步的衛(wèi)星可覆蓋全球的設(shè)想(如圖6-11所示)以來，衛(wèi)星通信真正成為現(xiàn)實(shí)經(jīng)歷了20年左右的時(shí)間。

圖6-11三顆同步衛(wèi)星覆蓋全球

1957年10月4日，原蘇聯(lián)成功發(fā)射的世界上第一顆距地球高度約1600?km的人造地球衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了對地球的通信，這是衛(wèi)星通信歷史上的一個(gè)重要里程碑。

1962年7月發(fā)射的第一個(gè)衛(wèi)星微波接力站——Telstar衛(wèi)星，首次把現(xiàn)場的電視圖像由美國傳送到歐洲。

1965年4月6日，“晨鳥”(EarlyBird)號靜止衛(wèi)星的發(fā)射，標(biāo)志著衛(wèi)星通信真正進(jìn)入了實(shí)際商用階段，并納入了世界上最大的商業(yè)衛(wèi)星組織INTELSAT的第一代衛(wèi)星系統(tǒng)IS-I。

1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

圖6-12為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成示意圖。

由上圖可以看出，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由以下部分組成：

(1)衛(wèi)星：作為空中的微波中繼站，進(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)。

(2)地球站：接收衛(wèi)星的微波信號。

衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，即把地球站發(fā)上來的電磁波放大后，再返送回另一地球站。

地球站則是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面公眾網(wǎng)的接口，地面用戶通過地球站出入衛(wèi)星系統(tǒng)形成鏈路。

圖6-12衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成示意圖由于靜止衛(wèi)星在赤道上空3600?km，它繞地球一周時(shí)間恰好與地球自轉(zhuǎn)一周(23小時(shí)56分4秒)一致，從地面看上去如同靜止不動(dòng)一般。

三顆相距120°的衛(wèi)星就能覆蓋整個(gè)赤道圓周，故衛(wèi)星通信易于實(shí)現(xiàn)越洋和洲際通信。最適合衛(wèi)星通信的頻率是1～10?GHz頻段。

為了滿足越來越多的需求，已開始研究應(yīng)用新的頻率，如12?GHz、14?GHz、20?GHz及30?GHz。利用微波的衛(wèi)星通信得到了進(jìn)一步的發(fā)展，利用互成120°角的三個(gè)定點(diǎn)同步衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)全球性的電視轉(zhuǎn)播和通信聯(lián)絡(luò)。

2.衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

衛(wèi)星通信同現(xiàn)在常用的電纜通信、微波通信等相比，其優(yōu)點(diǎn)可以概括為：遠(yuǎn)、多、好、活、省。

(1)遠(yuǎn)：指衛(wèi)星通信的距離遠(yuǎn)。俗話說，“站的高，看的遠(yuǎn)”。同步通信衛(wèi)星可以“看”到地球最大跨度達(dá)18?000余千米。在這個(gè)覆蓋區(qū)內(nèi)的任意兩點(diǎn)都可以通過衛(wèi)星進(jìn)行通信，而微波通信一般是50千米左右設(shè)一個(gè)中繼站，一顆同步通信衛(wèi)星的覆蓋距離相當(dāng)于三百多個(gè)微波中繼站。

(2)多：指通信路數(shù)多、容量大。一顆現(xiàn)代通信衛(wèi)星，可攜帶幾個(gè)到幾十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，可提供幾路電視和成千上萬路電話。

(3)好：指通信質(zhì)量好、可靠性高。衛(wèi)星通信的傳輸環(huán)節(jié)少，不受地理?xiàng)l件和氣象的影響，可獲得高質(zhì)量的通信信號。

(4)活：指運(yùn)用靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。它不僅可以實(shí)現(xiàn)陸地上任意兩點(diǎn)間的通信，而且能實(shí)現(xiàn)船與船、船與岸上、空中與陸地之間的通信，它還可以結(jié)成一個(gè)多方向、多點(diǎn)的立體通信網(wǎng)。

(5)?。褐赋杀镜?。在同樣的容量、同樣的距離下，衛(wèi)星通信和其他的通信設(shè)備相比，所耗的資金少。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的造價(jià)并不隨通信距離的增加而提高，隨著設(shè)計(jì)和工藝的成熟，成本還在降低。

衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)通信范圍大，只要衛(wèi)星發(fā)射的波束覆蓋的范圍均可進(jìn)行通信。

(2)不易受陸地災(zāi)害影響。

(3)建設(shè)速度快。

(4)易于實(shí)現(xiàn)廣播和多址通信。

(5)電路和話務(wù)量可靈活調(diào)整。

(6)同一通信可用于不同方向和不同區(qū)域。

衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)如下：

(1)由于兩地球站間電磁波傳播距離有72?000km，信號傳輸有較大延遲。

(2)10GHz以上頻帶受降雨雪的影響。

(3)天線受太陽噪聲的影響。6.3.3衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)包括：微波技術(shù)、天線技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、多址技術(shù)、軌道技術(shù)和地球站技術(shù)等。

常用衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括：同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)、中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)、低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)等，

6.4.1移動(dòng)通信的概念

移動(dòng)通信是指移動(dòng)用戶之間，或移動(dòng)用戶與固定用戶之間進(jìn)行的通信。同時(shí)，它也包括通信用戶的位置存在變化，但通信過程中用戶不處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況。

當(dāng)然，通信雙方都不移動(dòng)時(shí)進(jìn)行的通信可以作為移動(dòng)通信的極限特例。6.4移動(dòng)通信移動(dòng)通信，與其他通信方式相比，具有以下基本特點(diǎn)：

(1)電波傳播條件惡劣。由于允許通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)，其位置不受束縛，因此，無線電波的傳播特性一般都很差，一般情況有以下幾種：

①“陰影效應(yīng)”。

②“多徑效應(yīng)”。

③“多普勒(Doppler)頻移效應(yīng)”。

(2)干擾嚴(yán)重。除去一些常見的外部干擾，如天電干擾、工業(yè)干擾和信道噪聲外，移動(dòng)通信系統(tǒng)常見的干擾有：①同道干擾。

②臨道干擾。

③互調(diào)干擾等。

(3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。常見網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有：

①帶狀(如鐵路公路沿線)。

②面狀(如覆蓋一城市或地區(qū))。

③立體狀(如地面通信設(shè)施與中、低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng))等。

(4)網(wǎng)絡(luò)管理比較復(fù)雜。通常網(wǎng)絡(luò)管理包括：用戶認(rèn)證，身份鑒別，位置登記，過境切換等移動(dòng)性管理技術(shù)。

(5)綜合了多種技術(shù)。

(6)對設(shè)備要求苛刻。

(7)移動(dòng)通信可以利用的頻譜資源非常有限，而移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需求卻與日俱增。6.4.2移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類

按不同的標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)通信系統(tǒng)可進(jìn)行不同的分類。

(1)按使用對象的不同，可分為民用設(shè)備和軍用設(shè)備。

(2)按使用環(huán)境的不同，可分為陸地通信、海上通信和空中通信。

(3)按多址方式不同，可分為頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)。

(4)按服務(wù)范圍不同，可分為專用網(wǎng)和公用網(wǎng)。6.4.3移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

移動(dòng)通信系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：

(1)無線信道抗衰落技術(shù)。

(2)抗干擾技術(shù)。

(3)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

(4)語音編碼技術(shù)。

(5)糾錯(cuò)編碼技術(shù)。

(6)組網(wǎng)技術(shù)。

(7)智能天線技術(shù)。

(8)多輸入多輸出技術(shù)。

(9)多用戶檢測技術(shù)。

(10)軟件無線電技術(shù)。

(11)認(rèn)知無線電技術(shù)。

(12)電磁兼容技術(shù)等。圖6-13給出的是數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其組成部分包括：

(1)移動(dòng)交換中心(MSC)。

(2)基站分系統(tǒng)(BSS)(含基站控制器(BSC))。

(3)基站收發(fā)信臺(BTS)。

(4)移動(dòng)臺(MS)。

(5)歸屬位置寄存器(HLR)。

(6)訪問位置寄存器(VLR)。

(7)設(shè)備標(biāo)志寄存器(EIR)。

(8)認(rèn)證中心(AUC)。

(9)操作維護(hù)中心(OMC)。

網(wǎng)絡(luò)通過移動(dòng)交換中心(MSC)還與公共交換電話網(wǎng)(PSTN)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)以及公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)相連接。

圖6-13蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)移動(dòng)通信系統(tǒng)由若干個(gè)基本部分(或稱功能實(shí)體)組成。在用這些功能實(shí)體構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為了相互之間進(jìn)行信息交換，有關(guān)功能實(shí)體之間都要用接口進(jìn)行連接。同一通信網(wǎng)絡(luò)的接口，必須符合統(tǒng)一的接口規(guī)范。

圖6-14給出的是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)所用的各種網(wǎng)絡(luò)接口。其中：

(1)?Sm是用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的接口，也稱人機(jī)接口。

(2)?Um是移動(dòng)臺與基站收發(fā)信臺之間的接口，也稱無線接口或空中接口。

(3)?A是基站和移動(dòng)交換中心之間的接口。

(4)?Abis是基站控制器和基站收發(fā)信臺之間的接口。

(5)?B是移動(dòng)交換中心和訪問位置寄存器之間的接口。

(6)?C是移動(dòng)交換中心和歸屬位置寄存器之間的接口。

(7)?D是歸屬位置寄存器和訪問位置寄存器之間的接口。

圖6-14蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口

(8)?E是移動(dòng)交換中心之間的接口。

(9)?F是移動(dòng)交換中心和設(shè)備標(biāo)志寄存器之間的接口。

(10)?G是訪問位置寄存器之間的接口。

無論何時(shí)，當(dāng)某一移動(dòng)用戶在接入信道上向另一移動(dòng)用戶或有線用戶發(fā)起呼叫，或者某一有線用戶呼叫移動(dòng)用戶時(shí)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就要按照預(yù)定的程序開始運(yùn)轉(zhuǎn)，這一過程會(huì)涉及到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)功能部件，包括基站、移動(dòng)臺、移動(dòng)交換中心、各種數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)接口等。網(wǎng)絡(luò)要為用戶呼叫配置所需的控制信道和業(yè)務(wù)信道，指定和控制發(fā)射機(jī)的功率，進(jìn)行設(shè)備和用戶的識別和鑒權(quán)，完成無線鏈路和地面線路的連接和交換，最終在主呼叫用戶和被呼叫用戶之間建立起通信鏈路，提供通信服務(wù)。這一過程稱為呼叫接續(xù)過程，提供移動(dòng)通信系統(tǒng)的連接控制(或管理)功能。6.4.4移動(dòng)通信的應(yīng)用

據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2014年1月底中國移動(dòng)通信用戶達(dá)12.35億。移動(dòng)通信由于其獨(dú)有的靈活性，已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)手機(jī)無人不有。

(2)移動(dòng)上網(wǎng)。

(3)移動(dòng)支付。

(4)移動(dòng)監(jiān)控。

(5)移動(dòng)電視。

(6)移動(dòng)音樂。

(7)移動(dòng)計(jì)算。

(8)移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，構(gòu)成移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

(9)手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合。

光波段是電磁波頻譜中頻率最高的部分，光通信系統(tǒng)具有有效性高、可靠性好、不易受到電信號干擾的特點(diǎn)。常見的光通信形式包括：

(1)無線光通信：采用自由空間進(jìn)行光信號傳輸。

(2)有線光通信：就是我們常說的光纖通信。6.5光通信6.5.1無線光通信系統(tǒng)

圖6-15為無線光通信系統(tǒng)的組成框圖。

為提供全雙工能力，每一個(gè)無線光波傳輸系統(tǒng)均含有光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)。用數(shù)據(jù)、聲音或圖像信號調(diào)制驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器件LED或LD，經(jīng)透鏡以較窄發(fā)散角的紅外光束發(fā)射到大氣中。

圖6-15無線光通信系統(tǒng)光接收機(jī)鏡頭與光電探測器件(一般為PIN或APD)接收到這種紅外光束，經(jīng)低噪聲放大，然后由解調(diào)器解調(diào)出數(shù)據(jù)、聲音或圖像信號。

天氣變化對無線光通信系統(tǒng)的信號傳輸影響較大，晴天對傳輸質(zhì)量的影響最小，雨、雪和霧天對傳輸質(zhì)量的影響較大。

信號衰減的典型測試結(jié)果有：

晴天5～15dB/km；

雨天20～50dB/km；

雪天50～150dB/km；霧天50～300dB/km。

目前，解決這個(gè)問題一般采用更高功率的LD管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束。因此，無線光通信系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。6.5.2光纖通信系統(tǒng)

光纖通信技術(shù)是通過光學(xué)纖維傳輸信息的通信技術(shù)。

光纖通信系統(tǒng)的基本原理如下：

(1)在發(fā)信端，信息被轉(zhuǎn)換和處理成便于傳輸?shù)碾娦盘枺娦盘柨刂?光源，使發(fā)出的光信號具有所要傳輸?shù)男盘柕奶攸c(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信號的電-光轉(zhuǎn)換。

(2)發(fā)信端發(fā)出的光信號通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的收信端，經(jīng)光電二極管等轉(zhuǎn)換成電信號，從而實(shí)現(xiàn)信號的光-電轉(zhuǎn)換。

各種電信號對光波進(jìn)行調(diào)制后，通過光纖進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，稱光纖通信。光纖通信不同于有線電通信，后者是利用金屬媒體傳輸信號，光纖通信則是利用透明的光纖傳輸光波，如圖6-16所示。

圖6-16光纖通信系統(tǒng)雖然光和電都是電磁波，但頻率范圍相差很大。一般通信電纜最高使用頻率約9-24兆赫(106Hz)，而光纖工作頻率在1014～1015?Hz之間。

光纖通信最主要的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)容量大。光纖工作頻率比目前電纜使用的工作頻率高出8～9個(gè)數(shù)量級，故所開發(fā)的容量很大。

(2)衰減小。光纖每公里衰減比目前容量最大的通信同軸電纜的每公里衰減要低一個(gè)數(shù)量級以上。

(3)體積小，重量輕。同時(shí)有利于施工和運(yùn)輸。

(4)防干擾性能好。光纖不受強(qiáng)電干擾、電氣化鐵道干擾和雷電干擾，抗電磁脈沖能力也很強(qiáng)，保密性好。

(5)節(jié)約有色金屬。一般通信電纜要耗用大量的銅、鋁或鉛等有色金屬。光纖本身是非金屬，光纖通信的發(fā)展將為國家節(jié)約大量有色金屬。

(6)成本低。目前市場上各種電纜金屬材料價(jià)格不斷上漲，而光纖價(jià)格卻有所下降。這為光纖通信得到迅速發(fā)展創(chuàng)造了重要的前提條件。6.5.3光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)

光纖傳輸系統(tǒng)的主要組成部分包括：光發(fā)送機(jī)，光接收機(jī)，光纜傳輸線路，光中繼器，各種無源光器件。

光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)包括：光信號源技術(shù)，光傳輸技術(shù)，光纖技術(shù)，光電測量技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)等。6.5.4光纖通信的應(yīng)用

光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區(qū)別在于：

(1)傳輸頻帶寬、通信容量大。

(2)傳輸損耗低、中繼距離長。

(3)線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用。

(4)絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng)。

(5)具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，主要用于下列各領(lǐng)域：

(1)長途干線通信。

(2)全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)(如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線)。

(3)市話中繼線。

(4)軍事通信。

(5)高質(zhì)量彩色的電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視和調(diào)度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、共用天線(CATV)系統(tǒng)。

(6)光纖局域網(wǎng)。

(7)特殊環(huán)境。如應(yīng)用在飛機(jī)內(nèi)、飛船內(nèi)、艦艇內(nèi)、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等場合。

6.6.1信息安全的概念

信息安全是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。在互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)信息安全發(fā)揮著越來越重要的作用。

在當(dāng)今的信息化社會(huì)中，信息已成為一種重要的戰(zhàn)略資源。信息的應(yīng)用已經(jīng)滲透到軍事、科技、文化、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。信息在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)、生活中的作用日益重要。6.6量子通信傳播、共享和自增值是信息的固有屬性，與此同時(shí)，又要求信息的傳播是可控的，共享是授權(quán)的，增值是確認(rèn)的。因此，信息的安全和可靠在任何狀況下都是必須要保證的。

信息網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模全球互聯(lián)趨勢，Internet的開放性，以及人們的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)依賴性的與日俱增，使得信息網(wǎng)絡(luò)的安全性成為信息化建設(shè)的一個(gè)核心問題。

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普及和廣泛應(yīng)用，應(yīng)用層次不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展。如黨政部門信息系統(tǒng)、金融業(yè)務(wù)系統(tǒng)、企業(yè)商務(wù)系統(tǒng)等，伴隨網(wǎng)絡(luò)的普及，安全日益成為影響網(wǎng)絡(luò)效能的重要問題。

由于Internet所具有的開放性、國際性和自由性，在不斷增加應(yīng)用自由度的同時(shí)，也對信息安全提出了更高的要求。

信息安全涉及的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，這是因?yàn)樵谀壳暗墓猛ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中存在著各種各樣的安全漏洞和威脅。從廣義來說，凡是涉及到網(wǎng)絡(luò)上信息的保密性、完整性、可用性、真實(shí)性和可控性的相關(guān)技術(shù)與原理，都是信息安全所要研究的領(lǐng)域。6.6.2保密通信

保密通信就是通過對信息的變換或編碼，將機(jī)密的敏感消息變換成難以讀懂的亂碼型文字的一種通信方式。

信息加密的目的是保護(hù)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)、文件、口令和控制信息，保護(hù)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)加密常用的方法有鏈路加密、端點(diǎn)加密和結(jié)點(diǎn)加密三種。

鏈路加密的目的是保護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的鏈路信息安全；端-端加密的目的是對源端用戶到目的端用戶的數(shù)據(jù)提供保護(hù)；結(jié)點(diǎn)加密的目的是對源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)之間的傳輸鏈路提供保護(hù)。信息加密過程是由形形色色的加密算法來具體實(shí)施的，它以很小的代價(jià)提供很大的安全保護(hù)。在多數(shù)情況下，信息加密是保證信息機(jī)密性的惟一方法。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，已經(jīng)公開發(fā)表的各種加密算法多達(dá)數(shù)百種，主要分為常規(guī)加密算法和公鑰加密算法。

在常規(guī)密碼中，收信方和發(fā)信方使用相同的密鑰，即加密密鑰和解密密鑰是相同或等價(jià)的。

常規(guī)密碼的優(yōu)點(diǎn)是，有很強(qiáng)的保密強(qiáng)度，且經(jīng)受住時(shí)間的檢驗(yàn)和攻擊，但其密鑰必須通過安全的途徑傳送。因此，其密鑰管理成為系統(tǒng)安全的重要因素。在公鑰密碼中，收信方和發(fā)信方使用的密鑰互不相同，而且?guī)缀醪豢赡軓募用苊荑€推導(dǎo)出解密密鑰。最有影響的公鑰密碼算法是RSA，它能抵抗目前已知的所有密碼攻擊。

公鑰密碼的優(yōu)點(diǎn)是可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的開放性要求，且密鑰管理問題也較為簡單，尤其可方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名和驗(yàn)證。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和密碼技術(shù)的發(fā)展，公鑰密碼算法將是一種很有前途的網(wǎng)絡(luò)安全加密體制。6.6.3量子保密通信

量子力學(xué)的誕生深刻地改變了人類社會(huì)。20世紀(jì)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的核能、激光、半導(dǎo)體等高技術(shù)，都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的。

量子特性在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量、提高檢測精度等方面將突破經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。

1.量子通信的含義

經(jīng)典通信是由電信號參數(shù)傳送信息的通信方式。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式。量子保密通信提供了一種不可竊聽、不可破譯的絕對安全的密碼技術(shù)。量子密鑰體系采用量子態(tài)為信息載體，量子力學(xué)原理保證其絕對安全。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)量子不可分割性：不能分流信號竊聽。

(2)量子力學(xué)不可克隆性：不能復(fù)制信號竊聽。

(3)量子力學(xué)非定域性：量子隱形傳態(tài)——先傳量子態(tài)，后傳信息。

(4)單個(gè)粒子的量子