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1、计算机网络计算机网络第三章 数据通信基本原理n 数字通信基础n 数据传输技术n 传输介质n 数据交换技术n 信道复用技术n 差错控制方法数字通信基础n数字信号的傅立叶分析n数字信号与模拟信号n数字通信系统的模型n数据通信模型n信息论初步数字信号的傅立叶分析 任何正常的周期为T的函数g(t)，都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成：f=1/T 基频，an和bn都是正弦和余弦函数的n次谐波的振幅。数字信号与模拟信号 n各种不同的信息分为两类，一类是离散信息，一类是连续信息。根据在信道上传输信号的不同通信可分为模拟通信和数字通信。其中模拟通信传输模拟信号，数字通信传输数字信号。n信号波形的特征用时间、
2、幅度两个物理量来表示。我们可以根据信号幅度取值是否离散而决定是数字信号还是模拟信号。模拟信号 模拟信号是指电信号的参量是连续取值的。模拟信号的特点是幅度连续。常见的模拟信号有电话、传真和电视信号等。数字信号数字信号的特点是幅度被限制在有限个数值之内，是离散的。常见的数字信号为电报符号、数字数据等。从模拟到数字抽样 抽样定理：若以Ts1/2fs的时间间隔对频带限于（0，fm）内的时间连续信号f(t)进行等间隔抽样，则f(t)将由所得到的抽样值f(kTs)完全确定。也就是说，当抽样速率大于或等于信号带宽的两倍时，f(t)的全部信息都包含在所有抽样值中而不会丢失，并保证不产生信号的混叠。从信息传输的
3、角度来看，数字通信系统的主要评价指标集中在有效性和可靠性上。量化 量化是将抽样后一个范围内变化的无限个样值，用不连续变化的有限个值来替代的过程，分层单位称为量化节或量化台阶，用表示。其作用是将时间域上幅值连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号。量化可以划分为：n均匀量化：在整个量化范围内，量化间隔都相等 n非均匀量化：根据不同区间来确定量化间隔v，对信号取值小的区间，量化间隔小，反之，量化间隔大；编码 将量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列，列出各自对应的码字，用二进制（或多进制）代码表示，这就是编码。PCM编码可划分为：n线性编码n非线性编码 数字通信系统的模型带宽（b
4、andwidth）n传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围n电话线路1MHZ 电话公司加滤波器 限制用户可以使用的带宽3100Hz电话线路上数据传输率和可通过谐波的关系信道容量与信息传输速率n信道容量是指信道传输信息的最大极限速率，表征了一个信道传输数字信号的能力。它只由信道本身的特征（带宽和信噪比）决定，与具体的通信手段无关。n信息传输速率R是单位时间所传输的信息量，若已知每个符号的平均信息H和每秒传输符号的个数r，则R=rH比特/秒。n信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。奈奎斯特定理 对于具有矩形频谱的无
5、噪声信道，若信道带宽为B Hz，所能传送的信号最高码元速率为2B波特。因此，离散的、无噪声的、带宽为B的数字信道的信道容量C2Blog2M。nB为信道带宽，是指在信道上所能传输电信号的频率范围，即信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为Hz；nM是在信道上传送信号可取的离散电平值；C与码元状态数M有关，无噪声信道中M可取任意值，因而无噪声信道的信道容量在理论上是无限的。香农信道容量公式 若信道带宽为B，信道输出的信号功率为S，输出加性高斯噪声功率为N，则该信道的信道容量是：香农信道容量公式的相关结论n 提高信噪比S/N，能增加信道容量；n 当噪声功率N趋于0时，信道容量趋于无穷大；n 增加信道
6、频带B，并不能无限制地使信道容量增大。通信系统的有效性 通信系统的有效性是指消息传输的效率和消息传输速率，通常采用以下评价指标：n码元速率RBn信息速率Rbn系统的频带利用率 通信系统的可靠性 由于在数字通信系统中（尤其是信道）存在噪声干扰，接收到的数字码元可能会发生错误，使通信的可靠性受到影响，所以通信系统中还采用以下指标来衡量其可靠性。n误码率Pe，是指通信过程中系统传错码元的数目与所传输总码元数目之比，即传错码元的个数。n误比特率Pb，是指传输信息的比特数目与所传送的总信息比特数之比。模拟通信系统模拟通信系统 在计算机网络发展的初期阶段，数据传输方式一般采用的是模拟信道，如电话网、有线电
7、视网等。目前计算机网络传输的数据不仅是数字数据，还包含了诸如音频、视频等模拟数据，模拟数据可通过模拟信道进行传输，如电话网等。模拟信号利用模拟信道传输时，须进行调制。为充分利用信道带宽，同时保证传输质量，可采用多路复用的传输方式。频带传输 n数字调制的分类n数字振幅键控调制 n数字移频键控调制n数字移相键控调制n调制解调器Modemsn调制解调器的标准 在模拟信道中传输数字信号，首先需将数字信号转换成模拟信号。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素幅度、频率和相位，选择正（余）弦信号作为载波，用传输的数字信号改变载波的幅值、频率或相位，即可达到传输数字信号的目的，这就是频带传输的基本原理。
8、数字调制的分类分类根据调制参量的不同n振幅键控ASKn移频键控FSKn移相键控PSK根据电平数目的不同n二进制调制n多进制调制按已调信号频谱的特点n线性调制n非线性调制振幅键控ASK 数字振幅键控调制原理类似模拟信号调制系统，是利用数字信号的值对载波的幅度进行控制，使载波的幅度随数字信号的值而改变，从而达到调制的目的。当数字信号为“1”时，传输载波；当数字信号为“0”时，不传输载波。由于可通过二进制信号控制载波全通全断产生2ASK信号，所以这种方式还被称为开关键控（OOK）。多进制数字振幅调制又称为多电平调制。移频键控FSK 移频键控是利用载波的频率变化来传输数字信息，使载波的频率随数字信号的
9、值而改变，从而达到传输信息的目的。当数字信号为“1”时，载波频率为f1，当数字信号为“0”时，载波频率为f2。移频键控方法较振幅键控方法有更高的抗干扰性，是目前数字通信中用得较广的方法。二进制移频键控方式的直接推广就是多进制数字频率调制，简称多频制。移相键控PSK和DPSK 移相键控是载波相位随数字信号改变而改变的数字调制方式。绝对调相是用固定载波的不同相位分别代表数字信号“1”和“0”，用00表示“0”，用1800表示“1”。相对（差分）调相采用相对前一码元相位的变化来代表数字信号，如相位无变化代表“1”，有变化代表“0”。数字调制示意图0 00 01 10 01 10 00 00 01 1
10、0 0ASKASKFSKFSKPSKPSK1 1调制解调器Modems 调制解调器是一种提供计算机连接到公共交换电话网络（PSTN）上的数据通信设备（DCE），安装在工作站和公用电话网之间。它将计算机的数字信号转换（调制）成能够在电话线路上传送的模拟信号。而在接收端的调制解调器将信号解调成数字信号。调制解调器的分类按调制方式n调频调制解调器n调相调制解调器n复合调制的调制解调器按数据率分n低速（低于600bps）n中速（6009600bps）n高速（高于9600bps）按拨号方式分n手动拨号n自动拨号按照调制解调器所在的位置分n内插式n外接式调制解调器速率的提高n仅仅靠增加采样率是不可能的。对
11、于3000Hz的信道，超过6000Hz的采样率是没有意义的。n大多数调制解调器的采样率为2400次/秒，提高速率-用先进的调制解调技术，使每次采样表达更多的信息。组合多种调制技术。提高每波特的传输位数。QPSK正交相移键控QAM-16正交振幅调制QAM-64高速调制解调器有纠错机制，每个采样中增加一些额外的位。高速调制解调器有纠错机制，每个采样中增加一些额外的位。TCM 格子架编码调制格子架编码调制V.32 9600bpsV.32 bis 14400bps调制解调器的标准nV.21：300bps，FSKnV.22：1200bps，PSK，全双工调制解调器标准nV.22bis：2400bps，Q
12、AM，全双工调制解调器标准nV.27：4800bps，PSKnV.28：定义在RS 232接口的电路nV.29：9600bps，QAM，原来是用于传真的一个通用标准nV.32：异步和同步，48009600bps标准，格子架编码nV.32bis：高于14400bps以上的异步和同步标准，格子架编码，使用在一个信号群（signal constellation）有128点的两维格式编码技术。nV.32terbo：提供19.2Kbps传输率的临时标准，是V.32bis和V.34中间的过度性临时标准，使用在一个信号群（signal constellation）有256点到512点的两维格式编码技术。nV
13、.34：33.6Kbps传输率的标准，正规名称为V.fast，格 子 架 编 码，使 用 在 一 个 信 号 群（signal constellation）有768点的四维格式编码技术，常用于传真机。每个采样传输12个数据位，可达到33.6kbps。V.34 bis 14个数据位，可达到33.6kbpsnV.35：定义组合线路上的高数据传输率nV.42：包含错误校正技术nV.42bis：使用Lempel-Ziv方法的调制解调器压缩技术nV.43：定义查错标准调制解调器的标准调制解调器的标准nV.90 提供33.6kbps的上行信道（用户-ISP）56kbps的下行信道（ISP-用户）nV.92
14、 上行信道48kbps码字传输方式 传输方式定义的是比特组合从一个设备传到另一个设备的方式。它还定义了比特是可以同时在两个方向上传输，还是设备必须轮流地发送和接收信息。n串行传输和并行传输n同步传输和异步传输n单工、半双工和全双工通信串行传输与并行传输 串行数据传输过程中数据是一位一位地在通信线上传输的，先由计算机内的发送设备将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行传输与并行传输 在并行传输方式中，一个码字的所有码元并排，同时传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附
15、加一位数据校验位。这样，每个码位需要一条电通路。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。同步传输与异步传输 在通信过程中，通信双方的收发数据序列必须取得一致，这样才能使接收方准确地区分和接收发送方发送来的每一位数据，保证接收的数据与发送的数据相同，这就是通信中的同步。通信系统能否正常有效地工作，很大程度上依赖于正确的同步。n目前串行传输方式中，广泛采用的同步方式有同步传输与异步传输n并行传输一般采用同步传输同步传输 同步传输又称位同步，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。时间轴上，每个数据码字占据等长的固定时间间隔。码字之间一般不留空隙，前后码字接连传送。收发双方
16、不仅保持码元（位）同步关系，而且保持码字（群）同步关系。实现同步传输的方法可分为n外同步法n自同步法 异步传输 n数据通信中，异步传输又称群同步，即指传输的信息被分成若干“群”。n相对于同步传输，异步传输允许码字间存在不确定的时间关系，即字符间的时间间隔是任意的。为了让接收端能准确地判断一个码字的开始和结束，在码字中添加起始码位（起元）和停止码位（止元）。n起元确定一个码字的开始，并启动产生用于判决该码字的位定时脉冲；n止元表示一个码字的结束，并填充空闲区间。n基于这种“起止”机理，异步方式也被称为“起止式”传输方式。单工、半双工和全双工通信 数据传输方式按照信号在信道或传输介质中的传输方向的
17、不同，可分为n单工:指数据总是沿信道的一个固定方向传送n半双工:数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在同一时刻只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信。n全双工:允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。很多调制解调器就是这种通信方式。传输介质 传输介质是指通信中实际传送信息的载体。计算机网络中采用的传输介质通常可以分为：n有线介质 n无线介质 每一种介质在带宽、吞吐量、传输延迟、尺寸、可扩展性以及成本和安装维护费用等方面都不相同，在实际使用中决定使用哪种传输介质时，必须综合考虑传输介质的多
18、种特性，将联网需求与介质特性进行匹配。有线介质 有线介质又称为约束类传输介质，是现代通信技术中最常用的且以有形线路作为传输媒体的传输介质，由于它传输信号的性能较好，而且既便宜又容易安装维护，所以主要适用于短距离通信和架设电缆比较容易的场合。n双绞线n同轴电缆n光纤光缆 双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型的粗细为直径1mm。这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线对电气的干扰。（电话系统）双绞线（计算机网络）n双绞线是由不同颜色的4对8芯线组成，每两条按一定规则绞织在一起，成为一个芯线对。n它一般有屏蔽（Shielded
19、 Twisted-Pair:STP）与非屏蔽（Unshielded Twisted-Pair:UTP）双绞线之分，屏蔽的当然在电磁屏蔽性能方面比非屏蔽的要好些，但价格也要贵些（除了IBM设备上用，没有流行起来）。n双绞线按电气性能划分：3类(16MHz)、4类、5类(100MHz)、超5类、6类（250MHz）、7类(600MHz)双绞线等类型。屏蔽双绞线(STP)以箔屏蔽以减少 干扰和串音非屏蔽双绞线(UTP)3类：=16MHz 速率F这条输出线路的队列中，等到这条线路空闲时就将它送往结点F，依此类推直至接收端。321213213321FEAIJBDHCG21321报文交换优点n电路利用率高
20、。由于报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于相同的通信量来说，报文交换技术对电路的传输能力要求更低。n电路交换网中，当通信量增加很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网中，通信量大时仍然可以接收报文，但传输延迟会增加。n报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网很难做到。n报文交换网络可以进行速度和代码的转换。分组交换分组交换 分组交换技术（Packet Switching）综合了报文交换和电路交换各自在速率和效率方面的优点，把两者的缺点减少到最小程度，是报文交换的一种改进。它将报文分成若干个分组，每个分组长度设置上限值，有限长度的分组使每个节点所需的存储空间减少，同时分
21、组可以存储到内存中，提高交换速度。n结点A有三段数据报发送到结点J，它们以1-2-3的顺序发送到C。在分组1和2到来时，C判断该数据包到E比到H和F的排队时间都更短，所以它将分组1和2排队在E上；分组3到来时，C判断到H的排队时间最短，于是将分组3排在H的队列上。相同目的地址的分组选择不同路径，则到达目的节点的顺序可能不同，如到达结点H的顺序是3-1-2，因此分组到达J后要重新按分组序号排序，以保证报文的有序接收。321213213321FEAIJBDHCG21321分组交换技术的优缺点分组交换技术的优缺点n分组的传输足够快，时延足够小，允许进行准实时通信。n采用适应式路由选择法可把网络流量均
22、匀地分配给整个网络，从而避免过长时延的出现，并可保证所有信道有较高的利用率。n传输可靠性高n在各节点中可以进行码速和码型变换n可通过复用技术对各路通信提供可靠服务，在容限范围内，随着传输路数的增加，分组交换系统提供的服务质量是逐渐降低的。n分组交换网的节点机是在计算机基础上实现的，充分体现了数据通信与计算机技术相结合，这也是目前先进通信技术的一种发展趋势三种交换技术的比较电路交换报文交换分组交换能否进行实时通信线路接通后可进行实时会话通信，但不能实时多功能通信非实时、存储转发，不能进行会话式通信可接近实时存储转发，可进行会话式通信网络传输时延小、当建立呼叫时有一定的时延大、报文长短影响时延大小
23、小线路利用率当进行断续通信或短报文通信时线路利用率低高高通信速率和码变换不能进行通信速率和码变换能能差错控制功能不具有可具有具有传输路由每次通信过程中路由不变每一报文传递过程中路由不变可以有不同路由网络过载的影响随着网络负荷加大，受损率增加随着网络负荷加大，传递时延加大，引起阻塞可进行流量控制，可在一定传递时延条件下防止阻塞计费方式按距离和时间计费按字节或按字节与连接时间计费按字节或分组数及连接时间计费练习n1.比较在一个电路交换网和在一个（负荷轻的）分组交换网上将x比特报文沿k段传输路径传输的延时。假定线路建立时间是s秒，每段上的传输延迟为d秒，分组大小为p位，数据传输速率是b bps。在什
24、么情况下，分组交换网的延迟更短。n2.假定将x比特用户数据装配成一系列的分组，沿一条k段的路径在分组交换网中传输，每个分组含p个数据位和h个报文位，xp+h，线路速率为b bps，传输延迟忽略不计。什么样的p值使总的延迟最小？信道复用技术信道复用技术 复用的目的就是将多路信号合并在同一信道上而互不影响，同时能在接收端彼此分离开来。n频分多路复用技术FDMAn时分多路复用技术TDMAn波分多路复用技术WDMAn码分多路复用技术CDMA频分多路复用频分多路复用FDMAFDMA 通常，通信系统中信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽要宽得多，所以，如何充分利用信道带宽就是频分多路复用技术的
25、出发点。频分多路复用频分多路复用FDMAFDMA 频分多路复用技术将具有一定带宽的信道在逻辑上划分为n个较小带宽的子信道，选择n路信号，根据各自不同的调制器，对各路频率不同的载波进行调制，这种技术叫做频谱搬移技术。从而在每路子信道传输一路调制信号，达到信道复用的目的。为了使n路信号各不相干扰覆盖，在每路信号的频段之间增加防护频带，即是使各路子信道的带宽大于各路信号的带宽。在接收端，增加不同频段的接收滤波器，从而将各路信号恢复出来。标准化FDM方案12路4000Hz语音信道复用到60-108 KHz,群;5个群 超级群;主群 5个超级群(CCITT)10个超级群（贝尔）时分多路复用时分多路复用T
26、DMATDMA 时分多路复用技术能完全用数字电路实现，这使得时分多路复用技术越来越受到广泛地使用。时分多路复用技术是采用“把时间帧划分成若干时隙和各路信号占用各自时隙”的方法来实现同一信道传输多路信号。一个信道可以有多少路信号复用主要取决于信道的带宽和每路信号的需求。时分多路复用时，多路信号是分离的，但在频域上各路信号频谱是混叠的。它可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。同步时分多路复用同步时分多路复用 同步时分多路复用指分配给每个终端的时间片是固定的，不管终端是否有数据发送，该终端的时间片都不能被其他终端占用。PCM（Pulse Code Modulation）脉冲编码调制n4000Hz
27、信道，编解码器，每秒采样8000次。产生8位数字序列。构成电话系统的核心。n数字传输没有达成统一的国际标准n北美和日本采用T1线路（T1 carrier）n其他国家采用E1线路T1T1帧结构示意图帧结构示意图8位中7位用于数据，1位用于控制，24*8+1=193位/帧速率193/125us=1.544Mbps 7/125us=56000bps数据/信道 1/125us=8000bps信令信息/信道。T1系统只有23条信道真正用于数据，第24条信道用于特定的同步模式，使失去帧同步时快速恢复E1信道nCCITT建议的PCM线路，速率2.048Mbpsn每125us帧中32个8位数据采样，30条用于
28、数据，2条用信令信息，4帧一组，共有64个信令位。一半用于与信道相关的信令，一半用于帧同步。CH1CH0CH2CH17CH3115路话路时隙1帧（125s）256位CH15CH16CH3015路话路时隙 0011011帧同步信号用户时隙 1A11111帧同步时隙信令时隙偶帧奇帧F1F0F2F15F141复帧（16帧）E1帧和复帧结构示意图异步时分多路复用异步时分多路复用 异步时分多路复用允许动态的按需分配时间片，需要发送数据的终端必须提出申请才能获得所需的时间片，否则时间片可以被其他终端占用。这种方案可以充分利用信道，但其控制较为复杂。异步时分多路复用的输出数据速率比输入数据速率要小，当输入超
29、过容量高峰时，需在复用器上加设缓冲器以容纳临时超出的输入数据。与同步时分多路复用相比它充分利用了信道的时隙。T1信道复用每一步组合过程中，都有额外负荷加入，用于成帧，或者当发送方和接收方失去同步时用于恢复CCITT针对32，128，512，2048和8192信道的速度分别是2.048,8.848,34.304,139.264和565.148MbpsSONET/SDHSONET(Synchronous Optical Network)同步光纤网CCITT的建议SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步数字系列SONET的四个设计目标：1.使不同的承运商可以协同工作定
30、义公共的信令标准，波长，分时，帧结构等2.统一美国、欧洲和日本的数字系统3.提供一种方法复用多条数字信道。推进速度层次，达到Gbps甚至更高。4.支持操作、管理和维护SONET帧 810字节/帧速率 8*810/125us=51.84Mbps 基本的信道 STS-1前3列用于系统管理，3行段开销，6行线路开销。用户数据（SPE）可从帧内的任何地方开始，线路开销的第一行有个指针指向SPE的第一个字节。SONET复用率波分多路复用波分多路复用WDMAWDMAn波分多路复用类似于频分复用技术FDMA，是将 FDMA应用于全光纤网组成的通信系统中的一种复用技术，为了在同一时刻能进行多路传输，将信道的带
31、宽划分为多个波段。WDMA将是计算机网络发展中今后的主要通信传输复用技术之。n在波分多路复用系统中，每个复用子信道分为两个通道控制通道和数据通道。控制通道主要目的是进行连接，数据通道主要是用于传送数据帧。频分复用在极高频率上的应用，使用衍射光栅WDM技术发展：90年，8条信道，2.5GHz/信道；98年，40条信道，2.5GHz/信道；01年，96条信道，10GHz/信道（每秒能传30部电影MPEG-2）；实验室，200信道，波长间隔0.1nm(DWDMDense WDM)移动电话系统n模拟语音n数字语音n数字语音和数据（Internet,E-mail）第一代移动电话模拟语音n60年代，IMT
32、S(改进的移动电话系统)大功率发送器 两个频率 分别用于发送和接收 支持23个信道 频率范围150-450MHz 信道少，需等待很长时间n高级移动电话系统AMPS 82年在美国安装，每个蜂窝单元10-20公里，每个使用一组频率，在较近的不相邻的蜂窝单元重复使用相同的频率频率重用基站：一台计算机和发射器/接收器组成 连接到天线上 MTSO 移动电话交换局移交（handoff）:软移交原来基站挂断前，新基站获得信号（电话必须具备同时调节到两个频率的能力）；硬移交新基站获得电话前，老基站就挂断电话微蜂窝单元微蜂窝单元n信道：使用832个全双工信道，每个信道由两个单工信道（频宽30KHz）组成，发送信
33、道频率范围824-849MHz,接收信道869-894MHz.使用FDM分隔信道n信道分类:控制,呼叫(基站到移动电话),访问-呼叫建立和信道分配,数据-语音传真和数据(双向)21条信道被保留用于控制,固化在每部电话的PROM中.每个单元中的实际可用语音信道通常45左右AMPS系统的信道系统的信道AMPS的呼叫管理32位序列号 10位数字的电话号码电话号码:区域号3个数字用10位表示,用户号7个数字用24位表示.开机时,对预先设置的21条信道扫描,找到最强信号,广播自己的序列号和电话号,以数字形式多次被广播,且带有纠错码.(控制信号都是数字方式传输)基站收到后,告诉MTSO,记录新顾客到来.移
34、动电话每隔15分钟左右重新注册一次打电话:将呼叫号码和自己的标识通过访问信道发送,若碰撞,会试着重新发送,基站接到请求,通知MTSO,MTSO寻找空闲信道,找到,通过控制信道将信号发回去,移动电话自动切换到被选中的语音信道上,等待对方接听电话.被呼叫方的主MTSO收到呼叫分组后，发分组到该电话所在基站，基站在呼叫信道上发送广播消息，告诉被叫电话切换到信道。第二代移动电话数字语音nD-AMPS数字的高级移动电话系统nIS-54 IS-136 在同一蜂窝内，可以与AMPS共存。使用同样的30KHz信道，MTSO可以动态改变信道类型n新频段加入，处理增加的负荷.上行信道1850-1910MHz 下行
35、信道1930-1990MHzn在移动电话端完成数字化和压缩.将带宽为56KbpsPCM编码降低为8Kbps,声音编码器(vocoder).n三个用户可以用时分复用技术共享同一对频率.每对频率可以支持25帧/秒,即每帧40ms,分为6个时间槽每帧中三个用户轮流使用上行和下行数据流链路每个时槽 324位,其中控制用64位,159位用于压缩后的语音数据,101位是纠错用.对于用户速率为159*2/40ms=7.95kbps利用更好的压缩算法可以使语音数据的带宽小于4Kbps一帧可以容纳6个用户D-AMPS的控制n16帧为一个超级帧，某些信息会出现数次。有6个主要的控制信道：系统配置、实时和非实时控制
36、、呼叫、访问应答和短消息。n工作方式与AMPS类似n移交方式移动电话利用1/3的不发送也不接收的时间测试线路质量。当发现信号很弱时，就告诉MTSO,MTSO断开该连接，同时试图转到另一个信号更强的基站上。需30ms左右的时间。GSM-全球移动通信系统nD-AMPS应用于美国和日本。其他地区用GSM.n信道:蜂窝状系统，使用频分复用，每部电话在一个频率上发送数据，在另一个高一点(高50MHz)的频率上接收数据.n124对单工信道(200KHZ宽),使用时分复用技术支持8个独立的连接TDM帧格式帧格式成帧层次结构成帧层次结构26帧形成一个多帧结构,其中一个用做保留,一个用做控制每帧中8个信道,且信
37、道间留有保护时间30us 共4.615ms 速率 1250/(120/26)=270 833bps 每个信道为 33.854Kbps,去掉额外开销,单用户只有24.7kbps(33.854*547/577*114/148)用于纠错前的净荷,纠错后13kbps用于语音(质量好于D-AMPS)148位的数据帧占用547+30=577us 控制信道n广播控制信道:从基站输出的连续流,包含了基站的标识和信道状态,所有移动站都能监视它们的信号强度,了解进入新的蜂窝单元.n专用控制信道:用于移动站的位置更新注册和建立呼叫n公共控制信道:呼叫信道,基站用于呼叫移动站有呼叫进入;随机访问信道,允许用户在专用控
38、制信道上请求一个时间槽,建立电话呼叫;访问控制信道,用于宣告在专用信道中被分配的时槽.CDMA(Code Division Multiple Access)码分多路复用n 码分多路复用完全不同于 FDMA和TDMA，它允许所有站在同一时间使用整个信道进行数据传送，采用码型来区分各路信号。不再有冲突假设,信号可以线性叠加.n在CDMA中，每个比特时间再分成m个码片，每个站分配一个唯一的M比特码序列。当某个站欲发送“1”时，它在信道中发送它的码序列；当欲发送“0”时，就发送它的码序列的补码(非值)。n这种编码方式使得发送信息量为原来的m倍.双极性编码时间片序列的特性n任何两个不同的时间片序列的归一
39、化内积为0即在S和T的分量中,对应分量相等和不等的数目是一样的.同样当两个或多个移动站同时传输时,双极性信号是线性叠加的.站点位流的恢复n接收器计算接收到的序列和该站的时间片序列的内积n由于正交特性,除了与自身(或自身的反)的内积可以是1或-1,与其他站点的序列内积都是0n问题:时间片的同步n 假设接收器知道发送方是谁n运行在1.25MHz的频段上,支持用户数比前两者更多,在实际中每个用户带宽通常比GSM多第三代移动电话数字语音与数据n92年,ITU提出IMT-2000.预期的目标:高质量的语音传输 消息服务(代替电子邮件 传真 聊天等)多媒体(音乐 视频 电影 电视)Internet访问(W
40、eb浏览 视频音频的页面)n技术提案 WCDMA 爱立信公司提出,使用直接序列扩频设计使用5MHz带宽,可以与GSM网络协同工作.欧盟将它称为UMTS(全球通用的移动通信系统)nCDMA2000,由Qualcomm公司提出,是一种直接扩频设计方案,是IS-95的一个扩展,不能与GSM兼容.与WCDMA的区别是用了不同的时间片,不同帧时间,频率和时间同步机制.n99年,两家公司同意遵守同一个3G标准.n2.5G nEDGE(enhanced data rates for GSM evolution)支持每波特更多位数的GSM系统nGPRS(general packet radio service
41、)位于D-AMPS或GSM之上的层叠分组网络,允许移动站在一个运行语音系统的蜂窝单元中发送或接收IP分组.有线电视n共天线电视n基于有线电视网络的Internet信号单向传输,从头端到用户n由于有线电视用户共享同一根电缆,解决办法使每一段电缆上没有太多的用户,典型的500-2000户,但随着用户越来越多的通过电缆连接到Internet,需要更加细粒度分解电缆,引入更多光纤节点n频谱分配:n调制方案n下行:每6MHz或8MHz,用QAM-64进行调制,若电缆质量好,用QAM-256.n上行:由于噪声影响,用更保守的调制QPSK,每波特2位n头端替换成一个智能数字计算机系统,通过高带宽的光纤接口连
42、接到ISP上CMTS(电缆调制解调终端系统)电缆调制解调器n标准DOCSIS(Data over cable service internet specification)n与计算机接口:10M以太网 USB口n工作原理：信道分配通电后，扫描下行信道，寻找由头端定期产生的特殊分组（为才上线的调制解调器提供系统参数），调制解调器在某个上行信道宣布存在，头端为之分配上行和下行信道。测距调制解调器发送特殊分组，测多久有回应。可以调节上行信道的操作方式，保证正确控制时间n上行信道分为多个微时槽（典型为净荷8字节），每个上行分组被装配在一个或多个微时槽中。头端定期宣布新一轮微时槽的开始，站点可按收到信息
43、和距离算出第一个微时槽真正开始的时间。n初始化过程，头端为每个调制解调器分配一个微时槽，用于请求上行带宽。如果请求微时槽发生竞争，不能收到请求确认，采用2进制退避的分槽ALOHA.n下行信道只有头端一个发送者，时分多路复用，使用204字节的固定分组长度，包含了纠错码和其他一些开销，净荷为184字节。与MPEG-2数字电视兼容。n获取IP地址初始化完成后，发送第一个分组给ISP,请求一个IP地址，ISP利用DHCP协议动态分配一个IP地址。差错控制方法 从差错控制的角度来看，选择抗干扰能力强的编码方式，可使信号受到干扰后不容易混淆；采用检纠错编码，信号虽然出错，接收方也可通过一定的策略发现错误或
44、纠正错误，提高传输的可靠性。n香农信道编码定理n检错纠错的基本原理 n差错控制方法 n检错码 香农信道编码定理 香农信道编码定理表明，对于一个给定的有扰信道，若信道容量为C，只要发送端以低于C的速率R发送信息，则一定存在一种编码方法，使编码错误概率P随着码长n的增加，按指数下降到任意小的值。表示为：Pe-nE(R)E(R)C1C2C2 C1CRO处理差错的基本策略n一种方法是在每个要发送的数据块上附加足够的冗余信息，使接收方能够推导出已发出的字符是什么，这是使用纠错码（error-correcting code）策略；n另一种方法是只加足够的冗余位，使接收方知道差错发生，然后向发送方请求重传。
45、这种策略使用了检测码（error-detecting code）。检错纠错的基本原理检错纠错的基本原理 检纠错的基本思想就是，在被传送的信息中附加一些冗余信息，使信息传输码元和冗余传输码元两者之间建立某种校验监督关系，当传输过程产生错误时，在接收端可利用监督关系进行检测并予以纠正。这种检纠错的能力是用信息量的冗余度来换取的。n最大似然译码准则n码距和检纠错能力的关系n编码效率 最大似然译码准则最大似然译码准则 设发送端发送码字为C(C0，C1，Cn-1)，接收端在收到码r的条件下，计算2k个（许用码的个数）条件概率P(r/CL)，其中CL为允许用码字。若条件概率P(r/CL)为最大，则认为收到
46、的码字r就是发送来的码字CL。P(r/CL)可用下式计算：ri为接收码字的第i位元素；CL为许用码字CL的第i位元素。若接收码元出错riCLi时，概率P(ri/CLi)=pe，当码元接收正确即riCLi时，概率P(ri/CLi)=1-pe。令d为接收的码字与许用码CL之间不同的位数（即出错的位数），则上式可以写成：接收到的码字最像某一个允许码，就判决这个码。这就是极大似然译码。若pe t 最小码距与检纠错能力的关系示意图0123BAd0e(a)0123BAd0t45t(b)ett1(c)编码效率 加入的监督位数越多，纠错能力越强，但编码效率越低。设码字的信息位数为k，监督位数为r，码长n=k+
47、r，则编码效率定义为信息位数k与码长n之比，即 当监督位数增加，编码效率下降。所以，纠错编码的任务就是根据不同干扰特性设计检纠错能力最强，同时效率高的纠错码。差错控制方法差错控制方法 从差错控制的角度，对于传输的信号，利用检纠错基本原理进行编码来降低差错的发生，利用差错控制编码方法进行差错控制的常用方式主要有如下几种：n 自动请求重发（ARQ）方式n 反馈校验方式n 前向纠错（FEC）方式n 混合纠错（HEC）方式海明码n设计一种编码方案，每个码字有m个报文位和r个校验位，n=m+r,可以纠正所有的单个错。合法报文（2m个）发生单个错（n位中的任一位都有可能），造成了有n个与合法报文的距离是1
48、的非法码字。n因此我们必须有（n+1）2m=2nn海明的方法（1950）：纠正单个差错.n码字中（1,2,4,8)为校验位;剩下的位是数据.每个校验位迫使某一组位的奇偶值为偶数或奇数.n当一个码字到来时,接收方将检查每个校验位,看是否有正确的奇偶性,如第11位来时,检查1,2,8位,(11=1+2+8),若有错则将11位取反以纠正错误.7位ASCII码编成11位 7+4+1=243=1+25=1+4 6=2+47=1+2+49=1+810=2+811=1+2+8校验位生成方法a1=a3+a5+a7+a9+a11a2=a3+a6+a7+a10+a11a4=a5+a6+a7a8=a9+a10+a1
49、1第1个校验位分别对3,5,7,9,11位做校验自动请求重发（自动请求重发（ARQARQ）方式）方式 发送端发送出可以发现错误的码字，接收端译码若检测到错误，则主动向发送端发出请求，要求重发以便纠错。这种系统要求有反馈信道且发送端和接收端都有缓存器。反馈校验方式 这种方式是发送端一边发送码字一边存贮发出的码字到缓冲区中。在接收端收到码字后，马上返回到发送端去与原发送码进行比较。如发现与发送码不同，就重发上一次的码字，直到发送端校验正确为止。这种方式进行差错控制的原理和设备都简单，但要求双向信道，且传输效率较低。前向纠错（FEC）方式 发送端发出的码字是具有一定纠错能力的码字。在接收端译码后不仅
50、可以发现错码，而且能够判断错码所在的位置并自动纠正。这种方法不需反馈信道，实时性好，传输效率较高，但纠错编码方法和设备较复杂。混合纠错（HEC）方式 实际应用中，可以结合使用ARQ方式和FEC方式。即在传输错码较少且接收端能纠正时，自动纠正错误；在错码较多、超出纠正能力但尚能检测时，采用自动请求重发方式，请求发送端重传，直到正确接收为止。该方式大大提高了通信的可靠性。检错码检错码n纠错码广泛应用于无线链路,而有线链路,通常使用检错码.n例如:错误率为10-6,1000 位数据块,需要10位纠错码,能纠正1位错,而用检错码只需1个奇偶位,1M数据位需要的纠错和检错的开销?n奇偶监督码 n二维奇偶