《现代通信网概论(第二版)第2章现代通信网基础技术课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代通信网概论(第二版)第2章现代通信网基础技术课件.ppt（101页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2章 现代通信网基础技术 2.1 现代通信终端 2.2 现代传输技术 2.3 数字通信技术 2.4 现代交换技术 第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 2.1.1 固定电话机固定电话机固定电话机是固定电话通信的终端设备，是使用最普遍和最方便的一种通信工具。伴随着时代的进步，电话机在品种、质量和数量上都有了较大的发展和提高。1组成原理组成原理按照电话机各部分的功能分，它由三个基本部分组成：通话设备、信号设备和转换设备。固定电话机的基本组成示意图如图2.1所示。2.1 2.1 现代通信终端现代通信终端第2章 现代通信网基础技术 图2.1 固定电话机的基本组成第2章 现代通信网基
2、础技术 1)通话设备通话设备包括送话器、受话器及相关电路，是电话机达到电话通信目的的主要设备。送话器是把语音转换成语音电流的器件，按使用材料可分为炭精送话器、压电陶瓷送话器和驻极体式送话器等。炭精送话器是使用历史最长的送话器，现已淘汰。压电陶瓷送话器用具有压电效应的陶瓷片作振动膜，用户讲话时膜片在声压作用下产生形变，吸附在陶瓷片表面的电荷随极化强弱充/放电，形成语音电流。驻极体式送话器用驻极体(一种带电荷的电介质)作振动膜，用户讲话时膜片在声压作用下产生振动，改变其两侧的电荷密度，从而形成微小的电压变化，经放大后变成语音电流。第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 老式电话机通
3、话电路中有感应线圈，它是在铁芯上绕有2或3组线圈的电话变量器，与送话器、受话器和平衡网络相连接，组成通话电路。恰当选择感应线圈的匝数比和平衡网络的阻抗，可提高送话器、受话器的工作效率，减少通话时的侧音，改善通话质量。目前，电话机的通话电路多数由集成电路芯片实现，芯片内已集成了电话变量器、平衡网络等功能，不再需要感应线圈和平衡网络电路。第2章 现代通信网基础技术 2)信号设备信号设备包括发信设备和收信设备。发信设备即发号电路，用户通过号盘或键盘拨打出被叫用户的号码或其他信息。发信时，话机处于摘机状态。收信设备即振铃电路，其任务是接收交换机送来的铃流电流，通过话机中的电铃或扬声器发出振铃声。转盘拨
4、号盘(或按键盘)用于向交换机发送被叫用户号码。按键盘里的脉冲通断装置将表示被叫号码的直流脉冲信号发往交换机，按键盘与相应的发号集成电路配合发出直流脉冲信号或双音多频(DTMF)信号。按键盘一般由12个按键和开关接点组成，其中10个为数字键，2个为特殊功能键，分别为“*”、“#”键。第2章 现代通信网基础技术 振铃器用于接收交换机送来的呼叫振铃信号。老式话机采用电磁式交流铃，其结构和工作原理与电磁式受话器的结构和原理相似。新式电子电话机的振铃装置为音调式振铃器，由振铃集成电路和电声换能器件组成。振铃集成电路的功能是把1525 Hz振铃电压转换为几百到上千赫兹的两种音频电压，并且按一定周期(如每秒
5、10次)轮流送出。振铃集成电路内部包含有转换器和放大器，放大器可直接带动高阻的电声换能器。第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 2种类和功能种类和功能按电话机与电话局之间电话线路上传输信号的形式，电话机可分为模拟式和数字式两类。模拟式电话机传送的是模拟信号，数字式电话机传送的是数字信号。到目前为止，绝大多数电话机属于模拟电话机。数字电话机除了具有模拟电话机的功能外，还具有发送、接收及处理文字、数据和图像等信息的功能。按照使用方式，电话机可分为桌式、墙式、墙桌两用式和携带式等。按照制式，电话机可分为磁石式、共电式和自动式等。第2章 现代通信网基础技术(1)磁石式电话机是通话电源
6、和呼叫信号电源完全自备的电话机。通话电源一般采用1.53 V的原电池，呼叫信号装置采用手摇发电机，向对方用户(另一磁石式电话机)或磁石交换机发送90V左右、1625 Hz的交流信号作为呼叫信号。磁石式电话机对传输线路要求低，不经交换机转接就可直接通话，适用于野战条件下或无供电情况下的电话通信。第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术(3)自动式电话机有转盘拨号式和按钮(键)式两种。转盘拨号式自动电话机通过拨号转盘向自动交换机发出表示被叫号码的直流脉冲信号，按钮(键)式自动电话机上的按钮(键)与相应的发号集成电路配合，发出直流脉冲信号或双音多频(DTMF)信号给自动交换机，实现自动
7、选择被叫用户的功能。自动式电话机使用的电源也是自动电话交换机集中供给的，电源电压通常为48 V或60 V。自动式电话机使用方便，应用范围广泛。随着科学技术的进步和物质文化水平的提高，出现了许多具有新服务功能的电话机。第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 图2.2 GSM手机基本组成框图第2章 现代通信网基础技术 1)射频部分射频部分由天线、接收部分、发送部分、调制解调器和振荡器等高频系统组成。其中发送部分是由射频功率放大器和带通滤波器组成，接收部分由高频滤波、高频放大、变频、中频滤波放大器组成。振荡器完成收信机高频信号的产生，具体由频率合成器控制的压控振荡器实现。接收通路和发
8、送通路工作时分别使用不同的频率，这种频率的改变，受逻辑音频部分的控制。第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 3)接口部分接口部分包括模拟语音接口、数字接口及人机接口三部分。模拟语音接口包括A/D、D/A转换、话筒和耳机。数字接口主要是数字终端适配器。人机接口主要有显示器和键盘。第2章 现代通信网基础技术 4)电源电源部分为射频部分和逻辑部分供电，同时又受到逻辑部分的控制。手机的硬件电路由专用集成电路组成。专用集成电路包括收信电路、发信电路、锁相环电路、调制解调器、均衡器、信道编解码器、控制器、识别卡和数字接口、语音处理专用集成电路等部分。手机的控制器由微处理器构成，包括CPU
9、、EPROM和EEPROM等部分。第2章 现代通信网基础技术 软件也是手机的重要组成部分。手机的整个工作过程由CPU(中央处理器)控制，CPU由其内部的软件程序控制，而软件程序来源于GSM规范。手机接收时，来自基站的GSM信号由天线接收下来，经射频接收电路，由逻辑/音频电路处理后送到听筒。手机发射时，声音信号由话筒进行声电转换后，经逻辑/音频处理电路、射频发射电路，最后由天线向基站发射。第2章 现代通信网基础技术 2SIM卡卡无线传输比固定传输更易被窃听，如果不提供特别的保护措施，很容易被窃听或被假冒一个注册用户。20世纪80年代的模拟移动通信系统深受其害，使用户利益受损，GSM首先引入了“用
10、户标识模块”(即SIM卡)技术，从而使GSM在安全方面得到了极大的改进。手机与SIM卡共同构成移动通信终端设备。GSM手机用户在“入网”时会得到一张SIM卡，卡上存储了所有属于本用户的信息和各种数据，每一张卡对应一个移动用户电话号码。第2章 现代通信网基础技术 1)SIM卡的内容SIM卡是一张符合通信网络规范的“智能”卡，它内部包含了与用户有关的、被存储在用户这一方的信息。SIM卡内部保存的数据可以归纳为以下四种类型，其中第一类属永久数据，第二类数据只有GSM网络运营商才能查阅和更新。(1)由SIM卡生产商存入的系统原始数据，如生产厂商代码、生产串号、SIM卡资源配置数据等基本参数。第2章 现
11、代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 2)SIM卡的构造SIM卡是带有微处理器的芯片，包括五个模块，每个模块对应一个功能：微处理器、程序存储器、工作存储器、数据存储器和串行通信单元。SIM卡触点最少有五个端口：电源；时钟；数据；复位；接地端。图2.3示出了SIM卡触点端口的功能。第2章 现代通信网基础技术 图2.3 SIM卡触点端口功能示意第2章 现代通信网基础技术 2.2.1 传输介质传输介质所谓传输介质，是指传输信号的物理通信线路。任何数据在实际传输时都会被转换成电信号或光信号的形式在传输介质中传输。数据能否成功传输则依赖于两个因素：被传输信号本身的质量和传输介质的特性。2.2 2
12、.2 现代传输技术现代传输技术第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 2)平衡电缆平衡电缆又称双绞线，其中每对信号传输线间的距离比明线小，而且包扎在绝缘体内。这样，外界破坏和干扰要小一些，性能也较稳定，但是其损耗随工作频率的增大而急剧增大。通常每公里的衰减分贝数与频率成正比，因而容量也不能太大。这类平衡电缆通常制成多芯电线，就是很多对线路包扎成一条电线。从两对四芯起，直到200对，形成多层结构，包成一条电缆，外面还有铠装，保护芯线和绝缘体不被侵蚀和破坏，也起着屏蔽外界干扰的作用。第2章 现代通信网基础技术 3)同轴电缆同轴电线是容量较大的有线信道。常用的同轴电缆有两种：一种是管
13、外径为4.4mm的小同轴；另一种是管外径为9.5mm的中同轴。在同轴电线中，电磁波在外管和内芯之间传播，基本上与外界隔开，因而无发射损耗，也较少受外界干扰，可靠性和传输质量都很好。这类线路每公里衰减的分贝数大致与频率的平方根成正比，所以在高频端可传输足够的信号能量，带宽可以做得较大，传输容量也较大。其缺点是造价很高，施工复杂。第2章 现代通信网基础技术 第2章 现代通信网基础技术 图2.4 光纤的物理结构第2章 现代通信网基础技术 与传统的铜导线介质相比，光纤主要有以下优点：(1)大容量。光纤系统的工作频率分布在1001000THz范围内，属于近红外区，其潜在带宽是巨大的。目前10(Tb/s)
14、/100km的实验系统已试验成功，通过密集波分复用(DWDM)在一根光纤上实现40(Gb/s)/200km传输的实际系统已经在电信网上广泛使用，相对于同轴电缆的几百兆比特每秒每千米和双绞线的几兆比特每秒每几千米，光纤比铜导线介质要优越得多。(2)体积小、重量轻。与铜导线相比，在相同的传输能力下，无论体积还是重量，光纤都小得多，这在布线时有很大的优势。第2章 现代通信网基础技术(3)低衰减、抗干扰能力强。光纤传输信号比铜导线衰减小得多。目前，在1310nm波长处光纤每千米衰减小于0.35dB，在1550nm波长处光纤每千米衰减小于0.25dB。并且由于光纤系统不受外部电磁场的干扰，它本身也不向外
15、部辐射能量，因此信号传输很稳定，同时安全保密性也很好。第2章 现代通信网基础技术 光纤分为多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF)两种基本类型。(1)多模光纤先于单模光纤商用化，它的纤芯直径较大，通常为50m或62.5m，它允许多个光传导模式同时通过光纤，因而光信号进入光纤时会沿多个角度反射，产生模式色散，影响传输速率和距离。多模光纤主要用于短距低速传输，比如接入网和局域网，一般传输距离应小于2 km。第2章 现代通信网基础技术(2)单模光纤的纤芯直径非常小，通常为410m，在任何时候，单模光纤只允许光信号以一种模式通过纤芯。与多模光纤相比，它可以提供非常出色的传输特性，为信号的传输提供更大的带
16、宽、更远的距离。目前长途传输主要采用单模光纤。在ITU-T的最新建议G.652、G.653、G.654、G.655中对单模光纤进行了详细的定义和规范。第2章 现代通信网基础技术 2无线介质无线介质1)长波长波所使用的频率是在300kHz以下，波长在1000m以上。这种电磁波沿着地面，尤其是沿海平面的传播损耗较小，并具有较好的对海水渗透性，但可用的带宽较小，不宜用作传送大容量的通信系统之用，而且由于波长和发、收天线的大小成正比，因此，使用长波通信手段进行通信所使用的发射天线和接收天线都很庞大，难于架设。故此，长波方式传输信息一般只用于航海导航和对潜通信系统。第2章 现代通信网基础技术 2)中波中
17、波的频率在0.33MHz或波长在1001000m范围内。中频频段内的电磁波还是以地面波为主要传播方式，传播损耗比长波稍大，传播距离比较远。第2章 现代通信网基础技术 3)短波短波的频段为330MHz，波长为10100m，也称为高频信道。这个频段的地面传播损耗已较大，地面传播距离较短；但借助地球上空的电离层反射，可进行远距离通信，这种传播方式通常称为天波。短波波长比较短，因而，天线设备及天线高度可做得比较小，建立两点之间通信所需费用也较小。因为它的通信距离远，可以在几千公里以上，所以在卫星通信尚未出现之前，短波通信是国际通信的主要手段。由于短波信道具有机动灵活、廉价和架设比较方便的特点，在现代通
18、信中得到了广泛应用，是现代通信网中较为重要的通信信道。特别是大功率短波电台作为远距离通信手段的补充和备用而备受重视。第2章 现代通信网基础技术 4)超短波超短波的频率范围通常认为是303000MHz，波长为0.110m。更细一些划分，其中30300MHz或110m波长称为甚高频(Very High Frequency，VHF)，3003000MHz或0.11m波长称为特高频(Ultra High Frequency，UHF)。在这个频段中，因为频率高，电离层已不能反射，地面损耗又较大，因此传播的主要方式是空间直射波和地面反射波的合成。一般而论，这一频段只能作为近距离的通信手段，有效通信距离不超
19、过100km，这一频段较适宜建立移动通信网。第2章 现代通信网基础技术 5)微波微波的频段范围是3000MHz30GHz，波长小于0.1m，因为在毫米范围内，所以被称为微波。第2章 现代通信网基础技术 6)红外线红外线指10121014Hz范围的电磁波信号。与微波相比，红外线最大的缺点是不能穿越固体物质，因而它主要用于短距离、小范围内的设备之间的通信。由于红外线无法穿越障碍物，也不会产生微波通信中的干扰和安全性等问题，因此使用红外传输，无需向专门机构进行频率分配申请。第2章 现代通信网基础技术 2.2.2 多路复用多路复用1频分多路复用频分多路复用(FDM)频分多路复用的主要原理是把信道的可用
20、频带分割为若干条较窄的子频带，每一条子频带都可以作为一个独立的传输信道传输一路信号。为了防止各路信号之间的相互干扰，相邻两个子频带之间需要留有一定的保护频带。频分多路复用的原理图如图2.5所示。第2章 现代通信网基础技术 图2.5 频分多路复用的原理图第2章 现代通信网基础技术 FDM的优点是容易实现，技术成熟，能较充分地利用信道带宽。其缺点是保护频带占用了一定的信道带宽，从而大大降低了FDM的效率；信道的非线性失真改变了它的实际频率特性，易造成串音和互调噪声干扰。因此，在实际应用中，FDM正在逐步被时分多路复用所代替。第2章 现代通信网基础技术 2时分多路复用时分多路复用(TDM)时分多路复
21、用是将信号按规定的间隔在时间上相互错开，在一条公共信道上传输多路信号的复用技术，即复用信道每帧的时间分成n个时隙(一帧中占据一特定位置的时间片段)，然后将时隙以某种方式分配给多路信号占用。这是一种按照时间区分信号的方法，只要发送端和接收端同步地切换所连接的设备，就能保证各路设备共用一条信道进行相互通信而且彼此互不干扰。时分多路复用的工作原理图如图2.6所示。第2章 现代通信网基础技术 图2.6 时分多路复用的原理图第2章 现代通信网基础技术 3波分多路复用波分多路复用(WDM)波分多路复用的本质是光域上的频分复用(FDM)技术，为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，WDM将光纤的低损
22、耗窗口划分成若干个信道，每一信道占用不同的光波频率(或波长)，在发送端采用波分复用器(合波器)将不同波长的光载波信号合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器(分波器)将这些由不同波长光载波信号组成的光信号分离开来。由于不同波长的光载波信号可以看做是互相独立的(不考虑光纤非线性时)，因此在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。第2章 现代通信网基础技术 密集型波分复用(DWDM)的基本结构形式主要有两种：双纤单向传输和单纤双向传输。1)双纤单向传输双纤单向传输指收发各占用一根光纤，光信号在一根光纤中沿同一方向传送，如图2.7所示。单向采用的波长是一致的，即收发采用同一波长工作。第
23、2章 现代通信网基础技术 图2.7 双纤单向传输示意图第2章 现代通信网基础技术 2)单纤双向传输单纤双向传输指收发占用同一根光纤，收、发光信号在同一根光纤中沿相反方向传送，如图2.8所示。双向采用的波长不相同，即收、发采用不同的波长工作。第2章 现代通信网基础技术 图2.8 单纤双向传输示意图第2章 现代通信网基础技术 2.3.1 数字通信过程数字通信过程目前，将模拟信号转换为数字信号的方法有多种，最基本的是脉冲编码调制(PCM)、差值编码(DPCM)、自适应差值编码(ADPCM)以及典型的增量调制(M)。其中脉冲编码调制(PCM)是实现模拟信号数字化最基本、最常用的一种方法。PCM数字通信
24、过程如图2.9所示。2.3 2.3 数字通信技术数字通信技术第2章 现代通信网基础技术 图2.9 PCM数字通信过程示意图第2章 现代通信网基础技术 1发送端的模发送端的模/数变换数变换1)抽样模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号，这一过程称之为抽样。如图2.10所示，对于某一时间连续信号f(t)，仅取f(t0)、f(t1)、f(t2)各离散点数值，就变成了时间离散信号。这个取时间连续信号离散点数值的过程就叫做抽样。第2章 现代通信网基础技术 图2.10 模拟信号的抽样过程第2章 现代通信网基础技术 理论和实践证明：设时间连续信号f(
25、t)，其最高截止频率为fM。如果要从抽样后得到的样值序列无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为fs2fM。这就是著名的奈奎斯特抽样定理，简称抽样定理。语音信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低抽样频率应为fs=6800Hz。为了留有一定的防卫带，ITU-T规定语音信号的抽样频率为fs=8000Hz，这样，留出8000-6800=1200Hz作为防卫带，信号的抽样周期T=125s。第2章 现代通信网基础技术 2)量化由于抽样后的样值序列的幅度仍然是连续的，还要采用量化的办法，将其变换成幅度离散的样值序列。具体的定义是，将幅度域连续取值的信号在幅度域上划分为若干个分层(量化
26、间隔)，在每一个分层范围内的信号值用“四舍五入”的办法取某一个固定的值来表示。这一近似过程一定会产生误差，称为量化误差。第2章 现代通信网基础技术 量化可以分为均匀量化与非均匀量化两种方式。均匀量化是指各量化分级间隔相等的量化方式，也就是均匀量化是在整个输入信号的幅度范围内量化级的大小都是相等的。对于均匀量化即是将-U+U范围均匀等分为N个量化间隔，则N称为量化级数。设量化间隔为，则=2U/N。如量化值取于每一量化间隔的中间值，则最大量化误差为/2。由于量化间隔相等，为某一固定值，它不能随信号幅度的变化而变化，因而大信号时信噪比大，小信号时信噪比小。第2章 现代通信网基础技术 非均匀量化的特点
27、是：信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比。实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术。压缩特性是：在最大信号时其增益系数为 1，随着信号的减小，增益系数逐渐变大。信号通过这种压缩电路处理后就改变了大信号和小信号之间的比例关系，大信号时比例基本不变或变化较小，而小信号则相应按比例增大。第2章 现代通信网基础技术 目前我国使用的是A律13折线特性，具体实现的方法是：对x轴在01(归一化)范围内以1/2递减规律分成8个不均匀段，其分段点分别是1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128。对y轴
28、在01(归一化)范围内以均匀分段方式分成8个均匀段，其分段点是1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8和1。将x轴和y轴对应的段线在x-y平面上的相交点相连接的折线就是有8个线段的折线，如图2.11所示。图中第一段和第二段折线的斜率相同，即图中实际有7段折线，再加上第三象限部分的7段折线，共14段折线，由于第一象限和第三象限的起始段斜率相同，因此共13段折线。这便是A律13折线的压缩扩张特性。第2章 现代通信网基础技术 图2.11 A律13折线第2章 现代通信网基础技术 3)编码编码是把抽样并量化的量化值变换成一组(8位)二进制码组。此信号称为脉冲编码调制信号，即PCM信号。从概
29、念上讲，编码过程可以用天平称某一物体重量的过程来类比。对于一个数字话路来说，每秒钟抽取8000个样值，每个样值编为8位二进制代码，则每一话路的数码率为88000=64000b/s。第2章 现代通信网基础技术 2信道及再生中继信道及再生中继1)信道传输的码型PCM编码后输出的是单极性不归零码(NRZ)码，这种码序列的频谱中含有丰富的直流成分和较多的低频成分，不适合直接送入变压器耦合的有线信道。双极性归零码(RZ)具有直流分量小、占用频带窄等优点，适合在金属导线上传输。所以信道上传输的PCM信号需由NRZ码变换成RZ码。第2章 现代通信网基础技术 2)再生中继PCM数字信号在信道上传输的过程中会受
30、到衰减和噪声干扰的影响，使得波形失真。而且随着通信距离的加长，接收信噪比下降，误码增加，调制量下降。因此，在信道上每隔一段距离就要对数字信号波形进行一次“修整”，再生出与原发送信号相同的波形，然后再进行传输。由前一个再生中继站送出的双极性归零数字信号码，经线路传输后波形幅度减小且有失真。再生中继器从收码中提取定时时钟信号，并按波形规定的时刻进行判决，一旦达到门限电平值时判为+1或-1，达不到门限值时均判为0，从而再生出前站的波形，继续向下一站传送，这就是再生中继的过程。第2章 现代通信网基础技术 3.接收端的数接收端的数/模转换模转换1)再生、解码接收端收到数字信号后，首先经整形再生，然后将双
31、极性归零码反变换成单极性不归零码，再送至解码电路。解码与编码恰好相反，是数/模变换，它把二进制码元还原成与发送端一致抽样后的量化值近似的重建信号。2)低通滤波(平滑)解码后的量化值信号送入低通滤波器，输出量化值信号的包络线。此包络线与原始的模拟信号极其相似，即还原为(或称重建)原始语音的模拟信号，送给接收端用户。第2章 现代通信网基础技术 2.3.2 PCM 30/32系统简介系统简介1PCM 30/32系统的时隙分配和帧结构系统的时隙分配和帧结构我国的时分复用设备采用的是典型的PCM 30/32系统，称为一次群或基群。PCM 30/32的含义是把整个系统共分为32个路时隙，其中30个路时隙分
32、别用来传送30路语音信号，一个路时隙用来传送帧同步码，另一个路时隙用来传送信令码。PCM 30/32系统帧结构中的时隙分配如图2.12所示。第2章 现代通信网基础技术 图2.12 PCM 30/32系统帧结构中时隙分配示意图第2章 现代通信网基础技术 2PCM 30/32设备在市话通信中的应用设备在市话通信中的应用PCM 30/32设备最初用于市话中继线的扩容。现用的模拟电话网，一个话路占用一对中继线，若拿出两对中继线开通一套PCM 30/32系统，在这两对线上就可以同时传送30个话路，线路的利用率为原来的15倍。显然同样的方法也可以用于其他方面，以提高线路的利用率。第2章 现代通信网基础技术
33、 2.3.3 数字复接数字复接1数字复接及码速调整数字复接及码速调整为了充分发挥长途通信线路的效率，总是把若干个小容量的低速数字流以时分复用的方法合并成一个大容量的高速数字流再传送，传到对方后再分开，这就是数字复接。数字复接是解决PCM信号由低次群到高次群合成的技术。数字复接系统包括数字复接器和数字分接器。数字复接器是把两个或两个以上支路的数字信号按时分复用方式合并成为单一的合路数字信号的设备。数字分接器是把一个合路数字信号分解为原来支路数字信号的设备。数字复接和分接设备的构成框图如图2.13所示。第2章 现代通信网基础技术 图2.13 数字复接和分接设备的构成框图第2章 现代通信网基础技术
34、2准同步数字复接系列准同步数字复接系列(PDH)ITU-T推荐了两类准同步数字复接系列。北美和日本等国采用24路系统，即以1.544Mb/s作为一次群(基群)的数字速率系列；欧洲国家和我国等采用30/32路系统，即以2.048Mb/s作为一次群的数字速率系列，如表2.1所示。从表中可以看出24路高次群和低次群之间没有固定的整数比，而30路系列高次群和低次群之间都是4倍关系。第2章 现代通信网基础技术 表表2.1 数字复接系列表数字复接系列表第2章 现代通信网基础技术 随着现代通信网的发展和用户要求的日益提高，PDH暴露出以下几个问题，难以适应长距离和大容量数字业务的发展，难以满足网络控制和管理
35、的需要。(1)国际上1.544Mb/s和2.048Mb/s这两种系列难以兼容，给国际连网带来困难。(2)没有世界性的标准光接口规范，导致各国厂商开发的不同光接口无法在光路上互通。(3)从组网角度看，PDH难于从高次群信号中直接分出低次群甚至基群的信号，因此对中继站上、下话路很不方便。(4)现有的PDH各级帧结构所预留的少量比特已经不能适应网络控制和管理需要的发展要求。第2章 现代通信网基础技术 3同步复接数字系列同步复接数字系列SDH技术有一系列标准速率接口，其标准速率STM-1为155.5201Mb/s。对于STM-1以上的更高速率都采用正好4倍的关系，即STM-4为622.0804Mb/s
36、、STM-16为2488.3216Mb/s。同时，SDH允许接入各种不同速率的PDH信号、B-ISDN和ATM信号。由于各种支路信号间存在一定的差异，为了实现同步复用，在形成STM-1速率信号时，需要进行适配。我国的SDH基本复用映射结构如图2.14所示。第2章 现代通信网基础技术 图2.14 SDH基本复用结构示意图第2章 现代通信网基础技术 相比于PDH的条状帧格式，SDH的帧格式是页面帧。帧周期同样是125s，如图2.15所示。其中，SOH是段开销，POH是通道开销，RSOH是再生段开销，AU PTR是管理单元指针。第2章 现代通信网基础技术 图2.15 SDH帧结构第2章 现代通信网基
37、础技术 SDH主要有以下优点：(1)把世界上现在并存的两种数字系列融合在统一的标准之中，在STM-1等基础上达到统一，实现数字通信传输体制上的世界性标准。(2)采用数字复接，适应交换技术的发展。(3)页面帧格式，安排了丰富的用于维持管理的比特，使网络的维护管理能力大大加强。第2章 现代通信网基础技术 2.4.1 交换技术概述交换技术概述1面向连接和无连接面向连接和无连接根据网络传递用户信息时是否预先建立源端到目的端的连接，我们将网络使用的交换技术分为两类：面向连接型和无连接型。使用相应交换技术的网络也依次称为面向连接型网络和无连接型网络。2.4 2.4 现代交换技术现代交换技术第2章 现代通信
38、网基础技术 在面向连接型的网络中，两个通信节点间典型的一次数据交换过程包含三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。其中连接建立和连接释放阶段传递的是控制信息，用户信息则在数据传输阶段传输。三个阶段中最复杂和最重要的阶段是连接建立阶段，该阶段需要确定从源端到目的端的连接应走的路由，并在沿途的交换节点中保存该连接的状态信息，这些连接状态信息说明了属于该连接的信息在交换节点应被如何处理和转发。连接建立创建的连接可以是物理连接，也可以是一个逻辑连接，但这种区别用户并不关心，它本身也不是影响服务质量的主要因素。数据传输完毕后，网络负责释放连接。第2章 现代通信网基础技术 2交换节点的功能结构交换节点的功
39、能结构交换式网络总是以交换节点为核心来组建的。一个交换节点要完成任意入线的信息到指定出线的交换功能，基本的前提是网络中的每一个交换节点都必须拥有当前网络的拓扑结构的信息。为便于叙述，我们将交换节点中存储的到每一个目的地的路由信息的数据结构称为“路由表”，路由表可以简单地理解为一张网络地图，交换节点依靠它来进行寻址选路。无连接型网络和面向连接型网络中交换节点的交换实现有较大差别，图2.16描述了它们的功能结构。第2章 现代通信网基础技术 图2.16 交换节点中交换功能的实现(a)面向连接型；(b)无连接型第2章 现代通信网基础技术 2.4.2 主要的交换技术主要的交换技术目前在广域通信网上使用的
40、交换技术主要有电路交换、分组交换、帧中继、ATM技术。其中电路交换和分组交换是通信网中最基本的交换技术，后来发展起来的帧中继、ATM以及近来的各种IP交换技术和MPLS技术都是基于这两种技术综合或改进而成的，本节将不再介绍MPLS技术，相关的内容在后续章节有详细介绍。图2.17描述了目前通信网的主要交换技术。第2章 现代通信网基础技术 图2.17 通信网的主要交换技术第2章 现代通信网基础技术 1电路交换电路交换电路交换方式主要用于目前的电话通信网，它是一种面向连接的技术，一次通信过程分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。第2章 现代通信网基础技术 在连接建立阶段，网络要完成两项工作：第一
41、，确定本次通信从源端到目的地端用户业务信息应走的路由；第二，在该路由途经的交换节点进行全程的资源预留，预留的资源包括交换节点中从入端口到出端口的内部通道和交换节点间中继线路上的带宽资源，以这种方式建立一条端到端的专用通信连接，这个连接通常占用固定的带宽或时隙，有固定的传输速率。在整个通信期间，不管实际有无数据传输，沿途的交换节点负责保持、监视该连接，直到用户明确地发出通信结束的信号，网络才释放被占用的资源，撤销该连接。电路交换在连接建立时，预先分配固定带宽资源的方式被称为静态复用方式。第2章 现代通信网基础技术 电路交换的主要特点是：在连接建立阶段，为用户静态地分配通信所需的全部网络资源；并且
42、在通信期间，资源将始终保持为该连接专用；在数据传输阶段，交换节点只是简单地将用户信息在预先建立的连接上进行转发，节点处理时延可忽略不计，效率极高。电路交换很适合实时性要求高的通信业务，传统电话通信网就采用这种方式，它很好地解决了实时语音通信问题。它的主要缺点是信道资源的利用率低。第2章 现代通信网基础技术 2分组交换分组交换分组交换方式主要用于计算机间的数据通信业务，它的出现晚于电路交换，采用分组交换而不是电路交换来实现数据通信，主要基于以下原因：(1)数据业务有很强的突发性，采用电路交换方式，信道利用率太低。(2)电路交换只支持固定速率的数据传输，要求收发严格同步，不适应数据通信网中终端间异
43、步、可变速率的通信要求。第2章 现代通信网基础技术(3)语音传输对时延敏感、对差错不敏感，而数据传输则恰好相反，用户对一定的时延可以忍受，但关键数据细微的错误都可能造成灾难性后果。(4)分组交换是针对数据通信而设计的，主要特点是：数据以分组为单位进行传输，分组长度一般在10002000字节左右；每个分组由用户信息部分和控制部分组成，控制部分包含差错控制信息，可以用于对差错的检测和校正；交换节点以“存储转发”方式工作，可以方便地支持终端间异步、可变速率的通信要求；为解决电路交换方式信道资源利用率低的缺点，分组交换引入了统计时分复用技术。第2章 现代通信网基础技术 根据网络处理分组方式的不同，分组
44、交换分为两种类型，即数据报和虚电路。1)数据报数据报属于无连接方式，主要的优点是：协议简单，无需建立连接，无需为每次通信预留带宽资源，电路交换中带宽利用率低的问题自然也就解决了。同时，由于每一分组在网上都独立寻路，因而抵抗网络故障的能力很强，特别适合于突发性强、数据量小的通信业务。实际上，数据报方式最先是在冷战时期美国军方的计算机通信网ARPA Net上实现的，是现代Internet的前身。第2章 现代通信网基础技术 数据报的主要缺点是：由于没有为通信建立相应的连接并预留所需的带宽资源，因此分组在网络上传输时，需要携带全局有效的网络地址，在每一个交换节点，都要经历一次存储、选路、排队等待线路空
45、闲及再被转发的过程，因而传输时延大，并存在时延抖动问题。可见数据报不适用于大数据量、实时性要求高的业务。目前，通信网上该方式主要用于信令、控制管理信息和短消息等(例如SS7、SNMP、SMS等)的传递，Internet的IP技术也属于此类。第2章 现代通信网基础技术 2)虚电路虚电路是一种面向连接的分组交换方式，其设计目标是将数据报和电路交换这两种技术的优点结合起来，以达到最佳的数据传输效果。采用虚电路技术，用户之间在通信之前，需要在源端和目的地端先建立一条连接，分组交换中把它叫做虚电路，我们随后解释原因。虚电路一旦建立，所有的用户分组都将在这一虚电路上传送。建立连接是它与电路交换的相同之处，
46、也是它与数据报的不同之处。第2章 现代通信网基础技术 虚电路的一次通信过程也分为三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放。与电路交换的不同之处在于：虚电路建立阶段，网络完成的工作只是确定两个终端之间用户分组传输应走的路由，并不进行静态的带宽资源预留，沿途的交换节点只是将属于该连接的分组应如何进行转发的信息填写到转发表中。第2章 现代通信网基础技术 换句话说，虚电路建立成功后，假如源端没有分组传输，虚电路不占用网络带宽资源，因为开始就没有为虚电路预留带宽；当源端有分组要发送时，交换节点一般先对收到的分组进行必要的协议处理，然后根据虚电路建立阶段填好的转发表将分组转发至输出端口排队等待，一旦信道
47、空闲，就将其发送出去，因而这样一个连接被加上“虚拟”两字。分组交换中，这种对物理线路带宽资源的分配使用方式，称为统计时分复用。相应地，电路交换中对物理线路带宽资源的分配使用方式称为静态时分复用。第2章 现代通信网基础技术 3帧中继帧中继帧中继技术主要用于局域网高速互连业务。以X.25为代表的分组交换技术出现在20世纪70年代，当时长途数据传输还有很高的差错率，为保证可靠的服务质量，分组协议采用了逐段的差错控制和流量控制，这使得分组交换网交换时延大，无法为用户提供更高的速率。例如X.25网典型的用户接入速率是64 kb/s。第2章 现代通信网基础技术 20世纪80年代后期，光纤和数字传输技术的广
48、泛使用，使得数据传输的差错率大大降低。另一方面，微电子技术的进步使得终端的计算能力每18个月提高一倍，而成本却大大下降。为充分利用当代网络高速度、低差错和终端计算成本低的特点，帧中继技术被提出，其主要设计思想如下：(1)将原来由网络节点承担的非常耗时的逐段差错控制功能和流量控制功能删除，网络只进行差错的检测，发现差错就简单地丢弃分组，纠错工作和流量控制由终端来完成，使网络节点专注于高速的数据交换和传输，通过简化网络功能来提高网络的传输速度。第2章 现代通信网基础技术(2)保留X.25中统计复用和面向连接的思想，但将虚电路的复用和交换从原来的第三层移至第二层来完成，通过减少协议的处理层数来提高网
49、络的传输速率。(3)呼叫控制分组和用户信息分组在各自独立的虚电路上传递。经过这样的改进，帧中继的速率可以比传统的分组网提高一个数量级，典型接入速率可达2 Mb/s。目前帧中继主要用于LAN间的高速互连、VPN的组建、远程高品质视频和图像信息的传递，帧中继曾被认为是从窄带到宽带ISDN的首选过渡技术。第2章 现代通信网基础技术 4ATMATM(Asynchronous Transfer Mode)即异步传送模式，其主要设计目标是在一个网络平台上用分组交换技术来实现语音、数据、图像等业务的综合传送和交换。传统的分组交换和帧中继技术均是面向单业务来优化设计的，完全照搬它们的体制难以实现综合业务的目标
50、，这是因为不同类型的业务在实时性要求、服务质量、差错敏感度等诸多方面差异很大，甚至完全相反。对业务类型不加区分地采用统一的处理方式显然是不行的。第2章 现代通信网基础技术 为达到对综合业务优化的设计目标，在技术上，ATM采用了以下设计策略：(1)固定长分组策略。ATM与传统分组交换、帧中继、IP等最显著的区别就是采用了固定长分组，并把固定长分组称为信元。采用固定长分组后，节点缓冲区的管理策略变得简单了，固定长分组也便于用硬件实现高速信元交换。第2章 现代通信网基础技术(2)继承了传统分组交换的统计复用和虚电路技术，但ATM又对传统分组交换使用的纯统计复用技术作了改进。这是因为分组交换和帧中继主