現(xiàn)代傳輸與交換技術(shù)

現(xiàn)代傳輸與交換技術(shù)教師：毛倩辦公室：儀表一館113Email:maoqiaTel:55271601(OM)1第1章導(dǎo)論通信系統(tǒng)的分類1傳輸技術(shù)5交換技術(shù)4現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標(biāo)22通信系統(tǒng)按照不同方式可分成如下幾類：

按傳輸信號(hào)的形式——模擬通信和數(shù)字通信在用戶線上傳輸模擬信號(hào)的通信方式稱為“模擬通信”，模擬信號(hào)無論在時(shí)間上或是在幅度上都是連續(xù)的。大多數(shù)電話通信就是模擬通信。數(shù)字信號(hào)是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號(hào)。電報(bào)信號(hào)就屬于數(shù)字信號(hào)。1通信系統(tǒng)的分類3信息包含在脈沖的有無之中，只要噪聲絕對(duì)值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無.采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號(hào)和原來的數(shù)字信號(hào)一樣，可繼續(xù)傳輸下去

抗干擾能力強(qiáng)

遠(yuǎn)距傳輸能保證質(zhì)量數(shù)字通信的優(yōu)勢(shì)如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)

適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)便于實(shí)現(xiàn)加密處理……

便于采用大規(guī)模集成電路便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理41通信系統(tǒng)的分類按信道具體形式——有線通信和無線通信按通信工作頻段——長波通信、中波通信、短波通信、微波通信、光通信等。通信有線通信無線通信電通信雙絞線架空明線同軸電纜光纖通信短波通信微波通信衛(wèi)星通信散射通信……5第一章概述通信系統(tǒng)的分類1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標(biāo)262我們需要什么樣的通信系統(tǒng)現(xiàn)代通信新技術(shù)的目標(biāo)支持任意類型的應(yīng)用，如語音、視頻、傳真等（即多媒體網(wǎng)絡(luò)）提供更多更好的網(wǎng)絡(luò)管理工具提供網(wǎng)絡(luò)硬件/軟件的“無縫”連接，以及網(wǎng)絡(luò)之間的“無縫”連接在各個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)上都能夠運(yùn)行良好的標(biāo)準(zhǔn)更大的吞吐量、更高的傳輸速率、更低的延遲7國內(nèi)主要電信設(shè)備制造商：華為、中興、大唐、烽火，……國外主要電信設(shè)備制造商：西門子、富士通、朗訊、思科、NEC、北電網(wǎng)絡(luò)、……必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)使各個(gè)制造商的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)能夠兼容，并且運(yùn)行良好。8不斷增長的對(duì)更大通信容量的需求文本圖形聲音彩色圖像視頻帶寬要求設(shè)屏幕的分辨率為768×512：一屏文本需要的存儲(chǔ)空間約為96kbit;一幅由500條直線組成的矢量圖形需要的存儲(chǔ)空間約18.4kbit;存儲(chǔ)一秒語音信息需要的空間為64kbit;存儲(chǔ)一秒數(shù)字化高質(zhì)量音頻需要的空間約為1.4Mbit；一幅靜止彩色圖像需要的存儲(chǔ)空間約為9.4Mbit；存儲(chǔ)一秒PAL制式的視頻圖像需要的空間約為240Mbit。9第一章概述通信系統(tǒng)的分類1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標(biāo)2現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3103現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)電信網(wǎng)的基本組成如下圖所示113現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)從功能的角度看，一個(gè)完整的現(xiàn)代通信網(wǎng)可分為相互依存的三部分：業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)、支撐網(wǎng)，如下圖所示。12業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)負(fù)責(zé)向用戶提供各種通信業(yè)務(wù)，如基本話音、數(shù)據(jù)、多媒體等，采用不同交換技術(shù)的交換節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過傳送網(wǎng)互連在一起就形成了不同類型的業(yè)務(wù)網(wǎng)。主要業(yè)務(wù)網(wǎng)的類型如下表所示：13傳送網(wǎng)傳送網(wǎng)是隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入管理和交換智能后形成的。傳送網(wǎng)獨(dú)立于具體業(yè)務(wù)網(wǎng)，負(fù)責(zé)按需為交換節(jié)點(diǎn)/業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的互連分配電路，在這些節(jié)點(diǎn)之間提供信息的透明傳輸通道，它還包含相應(yīng)的管理功能，如電路調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視、故障切換等。目前主要的傳送網(wǎng)有SDH/SONET和光傳送網(wǎng)(OTN)兩種類型。14支撐網(wǎng)支撐網(wǎng)負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)網(wǎng)正常運(yùn)行所必需的信令、同步、網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)管理、運(yùn)營管理等功能，以提供用戶滿意的服務(wù)質(zhì)量。支撐網(wǎng)包含三部分：同步網(wǎng)。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間和節(jié)點(diǎn)設(shè)備與傳輸設(shè)備之間信號(hào)的時(shí)鐘同步、幀同步以及全網(wǎng)的網(wǎng)同步，保證地理位置分散的物理設(shè)備之間數(shù)字信號(hào)的正確接收和發(fā)送。信令網(wǎng)。對(duì)于采用公共信道信令體制的通信網(wǎng)，存在一個(gè)邏輯上獨(dú)立于業(yè)務(wù)網(wǎng)的信令網(wǎng)，它負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳送與業(yè)務(wù)相關(guān)或無關(guān)的控制信息流。管理網(wǎng)。管理網(wǎng)的主要目標(biāo)是通過監(jiān)視業(yè)務(wù)網(wǎng)的運(yùn)行情況，采取各種控制和管理手段，以便在各種情況下充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，保證通信的服務(wù)質(zhì)量。15第一章概述通信系統(tǒng)的分類1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標(biāo)2現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3交換技術(shù)416通信網(wǎng)由通信終端、傳輸設(shè)備和交換設(shè)備組成，其中交換設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。通信的目的是實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。在通信系統(tǒng)中，信息是以電信號(hào)或光信號(hào)的形式傳輸?shù)摹Ｒ粋€(gè)通信系統(tǒng)至少應(yīng)由終端和傳輸媒介組成，如下圖所示。終端將含有信息的消息，如話音、圖像、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)換成可被傳輸媒介接受的信號(hào)形式，同時(shí)將來自傳輸媒介的信號(hào)還原成原始消息；傳輸媒介則把信號(hào)從一個(gè)地點(diǎn)傳送至另一個(gè)地點(diǎn)。這樣一種僅涉及兩個(gè)終端的單向或交互通信方式稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。消息消息終端傳輸媒介終端5交換技術(shù)175交換技術(shù)當(dāng)存在多個(gè)終端，且希望它們中的任何兩個(gè)都可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如下圖所示，這樣的一種連接方式稱為全互連式。多用戶全互連式連接185交換技術(shù)全互連式連接存在下列一些缺點(diǎn)：當(dāng)存在N

個(gè)終端時(shí)，線對(duì)數(shù)量以終端數(shù)的平方增加；當(dāng)這些終端分別位于相距很遠(yuǎn)的兩地時(shí)，兩地間需要大量的長線路；每個(gè)終端都有N-l對(duì)線與其它終端相接，因而每個(gè)終端需要N-1個(gè)線路接口；增加第N+1個(gè)終端時(shí)，必須增設(shè)N

對(duì)線路。當(dāng)N

較大時(shí)，無法實(shí)用化；由于每個(gè)用戶處的出線過多，因此維護(hù)工作量較大。195交換技術(shù)如果在用戶分布密集的中心安裝一個(gè)設(shè)備——交換機(jī)(switch，也叫交換節(jié)點(diǎn))，每個(gè)用戶的終端設(shè)備經(jīng)各自的專用線路(叫用戶線)連接到交換機(jī)上，如下圖所示，就可以克服全互連式連接存在的問題。用戶通過交換機(jī)連接205交換技術(shù)在上圖中，當(dāng)任意兩個(gè)用戶之間要交換信息時(shí)，交換機(jī)將這兩個(gè)用戶的通信線路連通。用戶通信完畢，兩個(gè)用戶間的連線就斷開。有了交換設(shè)備，N個(gè)用戶只需要N

對(duì)線就可以滿足要求，線路的投資費(fèi)用大大降低，用戶線的維護(hù)也變得簡單容易。盡管這樣增加了交換設(shè)備的費(fèi)用，但它的利用率很高，相比之下，總的投資費(fèi)用將下降。21電路交換在網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)端點(diǎn)之間通常需要通過中間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信,這些中間節(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容，而是提供一個(gè)交換設(shè)備,把數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至達(dá)到目的端。因此交換技術(shù)主要是指網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)所提供的交換功能。通常，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主要使用三種交換技術(shù):電路交換、報(bào)文交換和分組交換。電路交換（CircuitSwitching）電路交換的基本處理過程包括呼叫建立、通話(信息傳送)、連接釋放三個(gè)階段，最典型的例子是電話交換系統(tǒng)，如下圖所示。22電路交換23電路交換電路交換的主要特點(diǎn)：電路交換是一種實(shí)時(shí)交換，適用于實(shí)時(shí)要求高的話音通信（全程的傳輸時(shí)間≤200ms）。在通信前要通過呼叫為主、被叫用戶建立一條局間邏輯的端-端連接。如果呼叫請(qǐng)求數(shù)超過交換網(wǎng)的連接能力（過負(fù)荷），用戶會(huì)聽到忙音。電路交換預(yù)分配帶寬，話路接通后，即使無信息傳送也虛占電路。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳送數(shù)字話音時(shí)電路利用率僅為36%。在傳送信息時(shí)，沒有任何差錯(cuò)控制措施，不利于傳輸可靠性要求高的突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。采用電路交換方式的交換節(jié)點(diǎn)在建立的連接通路上通常只提供一種基本的傳送速率(如64kb/s)。24報(bào)文交換報(bào)文交換（MessageSwitch）與電路交換的工作原理不同，在報(bào)文交換中，每份報(bào)文含有報(bào)頭，包含收、發(fā)雙方的地址，以便交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇。傳送報(bào)文時(shí)，沒有連接建立和釋放這兩個(gè)階段，而是由交換節(jié)點(diǎn)接收每份報(bào)文，予以存儲(chǔ)，再按照?qǐng)?bào)頭內(nèi)容向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)（即存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)的方式）。報(bào)文交換過程如下圖所示。25報(bào)文交換26報(bào)文交換報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)如下：節(jié)點(diǎn)之間的信道可被報(bào)文共享，因此線路利用率高；接收者和發(fā)送者無需同時(shí)工作,當(dāng)接收者處于“忙”時(shí),中間節(jié)點(diǎn)可將報(bào)文暫時(shí)存儲(chǔ)起來；當(dāng)流量加大時(shí)，報(bào)文仍然可以接收，但延時(shí)會(huì)增加；可同時(shí)向多個(gè)目的端發(fā)送同一報(bào)文，實(shí)現(xiàn)多播（Multicast）功能；可以在報(bào)頭中設(shè)置報(bào)文優(yōu)先級(jí)，中間節(jié)點(diǎn)可根據(jù)報(bào)文優(yōu)先級(jí)的高低提供不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。能夠在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)報(bào)文的差錯(cuò)控制和糾錯(cuò)處理；可以進(jìn)行傳輸速率和代碼格式的轉(zhuǎn)換,從而使兩個(gè)傳輸速率、數(shù)據(jù)格式相異的端點(diǎn)可相互連接。

27報(bào)文交換報(bào)文交換方式的主要缺點(diǎn)是不適于實(shí)時(shí)通信或交互式通信，網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)比較長，波動(dòng)范圍比較大。所以不能用來傳輸聲音或圖像信號(hào)，也不適用于交互式通信。報(bào)文交換方式主要用在早期的廣域網(wǎng)中。28分組交換分組交換與報(bào)文交換十分相似，但是需要將用戶的原始信息（報(bào)文）分成若干個(gè)小的數(shù)據(jù)單元來傳送，這些數(shù)據(jù)單元稱為分組（Packet），也可稱之為“包”。每個(gè)分組中必須附加一個(gè)分組標(biāo)題，包含可供處理的控制信息（路由選擇、流量控制和阻塞控制等），交換機(jī)采用存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送每一個(gè)分組。從原理上看，分組交換與報(bào)文交換相比似乎沒有明顯區(qū)別。而事實(shí)上，限制數(shù)據(jù)單元的最大長度將會(huì)明顯地改善網(wǎng)絡(luò)性能。分組交換技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)。現(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)交換網(wǎng)、局域網(wǎng)都采用分組交換技術(shù)。29數(shù)據(jù)報(bào)在分組交換網(wǎng)中,通常采用數(shù)據(jù)報(bào)（DG，DataGram）和虛電路（VC，VirtualCircuit）兩種方式來處理分組流。數(shù)據(jù)報(bào)：在數(shù)據(jù)報(bào)方式中,每個(gè)分組將獨(dú)立地進(jìn)行傳輸,由于網(wǎng)絡(luò)的中間交換節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)分組可能選擇不同的路由,這些分組到達(dá)目的端的順序可能與發(fā)送的順序不同,因此目的端必須重新排序分組，組裝成一個(gè)完整的原始報(bào)文，如下圖所示。30數(shù)據(jù)報(bào)交換過程31虛電路虛電路是分組交換網(wǎng)向用戶提供的另一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式，數(shù)據(jù)傳輸過程與電路交換方式類似，也經(jīng)歷三個(gè)階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和拆除連接。建立連接：源端在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，先請(qǐng)求分組建立一條邏輯連接，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)該請(qǐng)求在源端和目的端之間預(yù)先選擇一條傳輸路徑。（由于該路徑上的各段線路是共享的，并非獨(dú)占的，因此這種邏輯連接稱為虛電路。）數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)虛電路建立起來后，源端和目的端之間便可以在這條虛電路上交換數(shù)據(jù)。在虛電路服務(wù)方式中，用戶所有的分組均按已建立的路徑有序地通過網(wǎng)絡(luò)，因此接收端不需要對(duì)收到的分組重新排序，分組在網(wǎng)內(nèi)的傳送時(shí)延相對(duì)較小，且容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)分組丟失。拆除連接：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后,其中的任一個(gè)端點(diǎn)都可以發(fā)出拆除連接請(qǐng)求分組,終止這個(gè)虛電路。32虛電路交換過程33虛電路虛電路方式既不像電路交換那樣需要獨(dú)占線路，而是采用共享線路方式來建立連接，通過存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；它又不同于數(shù)據(jù)報(bào)方式，只是在建立虛電路時(shí)選擇一次路由，后續(xù)的各個(gè)分組只要使用該路由傳送即可，而無需重新選擇路由。按虛電路方式通信，通信雙方便于進(jìn)行流量控制和差錯(cuò)控制，以保證按順序正確接收，所以虛電路意味著可靠的通信。當(dāng)然它沒有數(shù)據(jù)報(bào)方式靈活，效率也不如數(shù)據(jù)報(bào)方式高。虛電路可以是暫時(shí)的，即會(huì)話開始建立，會(huì)話結(jié)束拆除，這叫做虛呼叫；也可以是永久的，即通信雙方一開機(jī)就自動(dòng)建立，直到一方(或同時(shí))關(guān)機(jī)才拆除，這叫做永久虛電路。34第1章導(dǎo)論通信系統(tǒng)的分類1傳輸技術(shù)5交換技術(shù)4現(xiàn)代通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)3現(xiàn)代通信系統(tǒng)的目標(biāo)2356光纖技術(shù)1960年，美國人梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，使光通信成為可能。1966年，英籍華裔學(xué)者高錕和霍克哈姆發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出利用光纖傳輸信息的可能性和技術(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信的基礎(chǔ)。此后光纖通信發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在，單模光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率最高可達(dá)10Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)100km~150km。電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。光纖通信用的近紅外光（波長約1μm）的頻率（約300THz），比微波（波長為0.1m~1mm）的頻率（3~300GHz）高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。36部分電磁波頻譜37光纖通信的優(yōu)點(diǎn)損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小若傳輸速率為2.5Gb/s，中繼距離可達(dá)150km；若傳輸速率為10Gb/s，中繼距離可達(dá)100km。容許頻帶很寬，傳輸容量很大抗電磁干擾性能好泄漏小，保密性能好……速率等級(jí)：155M、622M、2.5G、10G，……重量輕、體積小例如在美國A-7飛機(jī)上，用