第二章 现代通信系统的主要技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章,现代通信系统的主要技术,主要内容：,2.1,多路复用技术,频分多路复用技术（,FDM,）,时分多路复用技术（,TDM,）,波分多路复用技术（,WDM,）,码分多址技术（,CDMA,）,2.2,数据交换技术,线路交换技术,存储转发交换技术,2.1 多路复用技术,2.1.1 多路复用技术概述,图2-1 多路复用系统示意图,多路复用技术指的是把多路信号借助于单一线路和用单一的传输设备来进行传输的技术，并且各路信号间必须互不影响。,2.1.2 频分多路复用,频分多路复用(,FDM),是利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需带宽这一特性，将信道分成若干个相等的频段，每个频段分给不同的用户，传输时，先将各个用户的信号调制到不同的频段，而且各个载波频率是完全独立的，即载波信号的带宽不会相互重叠，然后进行传输，接收的时候再按不同的频率接收。如图2-2所示。,图,2-2,频分多路复用技术,例：贝尔公司的108系列调频方式的调制解调器的规范。,2.1.2 频分多路复用,图,2.,3 FDM,应用：调制解调器,2.1.2 频分多路复用,图,2.4,频分多路复用,FDM,频移,f(KHZ),例：图,2.4,给出了3路音频原始信号频分多路复用一条带宽为12,KHz,(60KHz72KHz),的物理信道的示意图。,2.1.2 频分多路复用,注：音频信道带宽为,4KHZ,，有效带宽为,3KHZ,，信道两边各留,500HZ,警戒频,带。,模拟电视信道带宽为,6MHZ,。,例：某传输系统，带宽为,960MHZ,，能传输多少路模拟电视节目？,2.1.3 时分多路复用,所谓时分多路复用(,TDM),就是将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片轮换地为多个信号所使用，每个时间片由其中一个信号占用。,图,2-,5,时分复用示意图,2.1.3 时分多路复用,时分多路复用技术根据时间片是否是动态的划分，又可分为,同步时,分多路复用技术(,STDM),和,异步时分多路复用技术(,ATDM),。,图,2-,6,STDM,与,ATDM,2.1.3 时分多路复用,例如：,3,个用户，线路总传输能力为,28.8kbps,对于,STDM:,每用户获得,28.8kbps/3=9600bps,对于,ATDM:,每用户获得,MIN=9600bps,，,MAX=28.8kbps,。,2.1.4 波分多路复用技术,波分多路复用技术与传统的载波电话的频分复用的原理一样，使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，这样光纤的传输能力就能成倍提高。由于光载波的频率很高，因此一般用波长而不用频率来表示所使用的光载波，由此得出波分复用这一名词。,随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多，现在已能做到在一根光纤上复用,80,路或更多路数的光载波信号，于是就有了密集波分复用,DWDM(Dense Wavelength,DivisionMultiplexing,),这,名词。,2.1.4 波分多路复用技术,的硬件系统,图,2-7,说明了波分复用的概念。通过光纤,1,、光纤,2,、光纤,3,和光纤,4,传输的,4,束光的频率不同，它们的波长分别为,1,、,2,、,3,、,4,，,这,4,个光载波,（,它们的波长很接近,）,经过复用器后，就在一根光纤中传输。合成光束到达目的地后，经过接收方分用器的处理，重新分离为,4,束光传给各个用户。,图,2-7,波分复用,2.1.5 码分多址,码分复用,CDM,是另一种共享信道的方法，它是一种用于移动通信系统的共享信道的新技术，笔记本电脑或,PDA(Personal Data Assistant),以及,HPC(Handed Personal Computer),等移动性计算机的连网通信都会大量用到码分复用技术。,实际上，人们更常用的名词是码分多址,CDMA，,每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信。,在,CDMA,中，每一个比特的时间再划分为,m,个短的时间片，称为码片,(,chip)，,通常,m,的值是64或128。,2.1.5 码分多址,使用,CDMA,的每个站被指派一个唯一的,mbit,码片序列(,chip sequence)。,一个站如果要发送比特1，则发送它自己的,mbit,码片序列；如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。,例如，假设,m=8,指派给,S,站的8,bit,码片序列为00110101。,当,S,发送比特1示，它就发送序列00110101；,当它发送比特0时，就发送11001010。,2.1.5 码分多址,现假定,S,站要发送信息的数据传输速率为,vbit,/s，,由于每个比特要转换成,m,个比特的码片，因此,S,站的实际发送数据率提高到,mvbit,/s，,同时,S,站所,占用的频带宽度也提高到原来的,m,倍。,这种通信方式是扩频(,spread spectrum),通信的一种。扩频通信通常有直接,序列(,direct sequence,DS-CDMA),和跳频(,frequency hopping,FH-CDMA),两,大类，上面所讲的码片序列就是,DS-CDMA。,2.1.5 码分多址,CDMA,系统的一个重要特点是系统分配给每一个站的码片序列不仅不同，而且要求它们必须互相正交。假设,s,站的码片向量为,S，r,站的码片向量为,R，,则用数学公式表示这两个码片向量序列的正交即为两个向量的内积为0。,2.1.5 码分多址,向量,S,和各站码片反码的向量内积也为0。而且要求任何一个码片向量的规格化内积都是1，而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是-1。,随着技术的进步，,CDMA,设备的价格和体积都大幅下降，已广泛使用在民用的移动通信种，特别是在无线局域网中。采用,CDMA,可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。,2.1.5 码分多址,2.2 数据交换技术,2.2 数据交换技术,2.2.1 线路交换,线路交换,(,circuit switching),最典型的例子就是“电话通信”，如图,2-8,所示，我们大家都有打电话的经验，当我们要和对方进行通信时，首先拨号发出呼叫请求，经过交换机的转接，对方听到呼叫的铃声，拿起电话进行语音通信。,2.2.1 线路交换,A,B,传输,1.交换,2.发送呼叫信号,传输,1.交换,2.发送呼叫信号,传输,1.作出反应,2.发送回应信号,图,2-8,电话通信,线路交换是指数据传输期间，在源站点与目的站点之间建立专用电路链接，数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点所使用。用电路交换技术完成的数据传输要经历以下三个阶段。,（1）线路的建立,（2）数据传输,（3）线路拆除,线路交换的特点：,（,1,）传输时独占信道，信道利用率低；,（,2,）各个节点不对传输数据进行存储转发，不对数据的,速率、形式作任何解释、变换和存储；,（,3,）线路建立时间较长；,（,4,）适合连接时间长，大量数据实时传输。,2.2.1 线路交换,图,2-9,线路交换的过程,2.2.1 线路交换,2.2.2 存储转发交换,1.,报文交换,(,message switching),报文交换方式(见图2-10)不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位是报文。,所谓“报文”就是站点一次性要发送的数据块，它是将拟发送的数据与目的地址、源地址、控制信息等一起，按照一定的格式组成一个数据单元，其长度不限并且可变。,传送过程采用存储转发方式。,图2-10,报文交换,例如：数据从主机,H1,发往,H4,。,报文交换有两个特点：,(1),报文从源站点传送到目的站点采用,“,存储,转发,”,方式，在传,送报文时，一个时刻仅占用一段通道，在源站点和目的站点,之间不建立专用的通路，,报文在节点先存储再选“路”转发,。,(2)报文作为整体传输，,在交换节点中需要缓冲存储，节点应具备,足够的存储能力，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通,信的要求。,采用报文交换的优点是：,(1),电路利用率高，不发报文不占信道；,(,2),在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼,叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不,过传送延迟会增加。,(3),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,网络很难做到这一点。,(4),节点对报文的可靠性负责：,收到报文的节点根据报文含有的地址进行路由；,节点对报文进行查错；,节点可以对报文进行速度和代码的转换。,缺点：,(1),不能满足实时或交互式的通信要求，报文大小不一，经过网络的延迟,时间长而且不定。,(2),有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不,丢弃报文。,适用场合：,报文交换适用于长报文、无实时性通信要求的场合，不适合会话式通,信，是我国公用电报网中采用的交换技术。,分组交换是报文分组交换的简称，又称包交换。它是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。每个分组中包括数据和目的地址。,其传输过程在表面上看与报文交换类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输性能。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。,2.,分组交换,(,Packet Switching),分组交换与报文变换最大的不同点是：,（,1,）把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样,每个节点所需要的存储量低了。,(2),分组是较小的传输单位，只有出错的分组才会被重发，,因此大大降低了重发的比例和开销，提高了交换速度。,2.,分组交换,(,Packet Switching),分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。,虚电路方式,(,virtual circuit),虚电路方式又分为两种：呼叫虚电路和 永久虚电路。,虚电路是指先在源端与目地端之间建立一条逻辑通路，传输时各个分组,按顺序都走这条通路，每个节点都要进行存储,/,转发,对数据校验。,当某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电,路将立即破坏，导致本次通信失败。,与线路交换不同：虚电路使用“逻辑通路“进行传输。,把传输线路逻辑的划分为若干信道，建立是指占用一条逻辑通道。,呼叫虚电路方式也要经历以下三个过程：,建立虚电路,交换数据,拆除虚电路,2.,分组交换,(,Packet Switching),图,2-11,呼叫虚电路方式,永久虚电路,是指通信双方虚电路路由信息事先存储在各交换节点的路由表中，通信的双方永远在线，数据传输前不必再有建立连接阶段，当然事后也不存在释放连接的问题。,永久虚电路方式适合于有大量数据传输的用户，每次通信可省去了呼叫建立连接过程。,图,2-12,数据报方式,数据报方式(,data gram),数据报方式的特点：,在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，就像报文交换中的报文一样也是独立处理的。每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。,一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报发送到下一个节点。,每个分组自己“选路”,可以避开故障点。,可逆序到达目的端，目的端负责排序及重装成报文。,在整个过程中，没有线路建立、拆除阶段，只有数据传输阶段，属于面,向无连接过程，不保障数据传输的可靠性。,数据报方式(,data gram),虚电路方式与数据报方式相比，其不同点在于：,虚电路方式是面向连接的交换方式,，常用于两端点之间数据交换量大的情况，能提供可靠的通信功能，保证每个分组正确到达，且保持原来的顺序。,虚电路方式有一个弱点，当某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电路将立即破坏，导致本次通信失败。,而数据报可以避开故障点。,(3),数,据报方式是面向无