1、第5章 现代通信技术,学习目标及重点,光纤通信的原理和组成,掌握在数据通信过程中的差错控制技术,掌握ATM交换技术的原理,掌握三种交换技术的特点,掌握数据通信的基础知识、数据传输的基本概念和相关技术,移动通信技术的基本原理,5.1.1 常用术语 数据通信 信息 编码 码元和码字 数字数据 数字信号 信道（channel）,5.1 数据通信的基本概念,带宽（band width） 传输延迟（Delay） 数据传输速率 比特率S 波形调制速率B（波特率B） 比特率S和波特率B之间的关系 误码率Pe Pe = Ne/N Ne 表示接收中传错的码元数，N为传输的二进制代码总数。,5.1.2 通信方式,
2、1单工通信方式,单工通信方式,2半双工通信方式,半双工通信方式,3全双工通信方式,全双工通信方式,5.2 数据传输,5.2.1 传输概念 1时域概念 从时域概念分析，信号是时间的函数，可分成连续（模拟）信号和离散（数字）信号，相同的信号形式能周期地重复，则称其为周期信号。,连续（模拟）信号,离散（数字）信号,周期信号,2频域概念 信号由多个频率组成 3信道容量（Capacity） 指物理信道能够传输数据的最大能力。 4通信系统基本模型 所有的通信系统都是由发送器、传输系统（即通信信道）和接收器三个主要部分组成。,由多个频率组成的信号,通信系统基本模型,5基带网和宽带网 宽带网中有多条信道，传输
3、的是模拟信号。 基带网中只传输一条信道，可以是数字信号，也可以是模拟信号，但通常基带网中传输的是数字信号。,6基带传输和频带传输 基带传输： 基带传输是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输。 频带传输： 带宽很宽的数字信号（基带信号）变换为带宽符合通信网要求的模拟信号。,频带传输和模拟传输的区别,7基带传输和宽带传输 宽带传输在通道中传输的是被调制后的数字信号。,基带传输和宽带传输的区别,8模拟数据在模拟信道上传输、调制与编码 9数字数据在模拟信道上传输、调制与编码 10模拟数据在数字信道上传输与编码 11数字数据在数字信道上传输、调制与编码,5.2.2 数据传输技术,1编码技术,常用三种
4、编码技术,HDB3码的编码规则的规律： （1）先将数据代码按AMI码规则转换，初次遇到4个连“0”串，将第4个“0”转换为扰码，其电平为相邻的前一非0电平同极性的电平； （2）扰码之后，再遇到4个或4个以上连“0”串时，仍将第4个“0”码转换为扰码V，其电平与相邻的前一扰码V的电平极性相反，还要求满足本扰码与相邻的前一非0电平同极性的条件； （3）扰码V总与前相邻的扰码V极性相反，首次扰码不必满足此条件； （4）扰码V之前的相邻非“0”码极性必须与本扰码V极性相同，若不相同，则将连“0”串中的第一个“0”码转换为与V极性相同并与它之前的非0码极性相反的B码以保证之； （5）扰码之后的非0码极性
5、有时需变换，以保证与本扰码极性相反，之后再按AMI规律转换，重复步（1）。,各种常见编码技术及特点,2数字数据编码为模拟信号调制技术 调制技术有三种： 幅移键控ASK（Amplitude-Shift-Keying） 频移键控FSK（Frequency- Shift-Keying） 相移键控PSK（Phase-Shift-Keying）,三种调制方式的基本波形,3模拟数据编码为数字信号脉码调制技术和增量调制技术 4扩频技术 5并行传输和串行传输 1）并行传输,并行传输方式,串行传输方式,2）串行传输,6同步传输和异步传输 1）异步传输方式 在被传送字符前后加起止位，实现定时的传输方式被称为异步方
6、式。,异步传输方式,2）同步传输方式 这种方式以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间顺序相连，即以数据块一起发送。,同步传输方式,7多路复用技术 1）多路复用技术概述 是指在同一传输介质上“同时”传送多路信号的技术。 2）频分多路复用（Frequency Division Multiplexing）：当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传输多路信号。,频分多路复用的原理示意图,3）时分多路复用（Time Division Multiplexing）信道允许的传输速率大大超过每路信号需要的传输速率，可采用TDM。把每路信号都调制到比
7、需要的传输速率高的速率上，再传输。,时分多路复用的原理示意图,同步时分复用 每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号 异步时分复用 它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙 4）码分复用 原理：鸡尾酒会原理 在CDMA中，每比特时间被分成m个短的时间段，称为芯片（chip）。通常情况下，每比特有64个或128个芯片。发送0就发送其芯片序列的补码。,5）波分复用 在光纤信道上使用的是频分多路复用的一个变种，即波分多路复用WDM（wavelength division multiplexing）。 与电子的FDM不同的唯一的区别是：光纤系统使用的衍射光栅是完全无源的，因此极其可靠。,两根
8、光纤连到一个棱柱上，每根的能量处于不同的波段。两束光通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，随后再将它们分解开来。,5.3 数据交换技术,数据交换就是在通信子网节点间的数据传输过程统称为数据交换，其所对应的技术称为数据交换技术。,1电路交换的三个过程1）电路建立： 2）数据传输： 3）电路拆除：,5.3.1 电路交换（Circuit Switching）,2电路交换技术的优、缺点及其特点 1）优点：数据传输可靠、传输延时小、迅速；线路一旦接通，数据传输不会产生冲突；信道复用，可靠性和实时回应能力都很好且保持原来的序列。 2）缺点：电路空闲时的信道容易被浪费；网络忙时，建立线
9、路所需时间长，线路交换不具有差错控制能力；不具有数据存储能力，不能改变数据的内容，因此很难适应不同类型、规格、速率和编码格式的计算机之间的通信。 3）特点：必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。,5.3.2 报文交换（Message Switching）,1报文交换的原理 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。报文交换是一种存储转发（Store and Forward Exchanging）式的交换方式。端到端之间无须先通过呼叫建立连接。,报文交换原理,2报文交换的特点 采用“存储-转发”方式 报文交换不能满足实时通
10、信的要求,3报文交换的优点 1）电路利用率高 2）在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。 3）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地 4）报文交换网络可以进行速度和代码的转换 5）具有路由选择、差错检查和纠错功能。 6）报文的优先权容易实现,4报文交换的缺点 1）不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。 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，而且发出的报文不按顺序到达目的地。,5.3.3 分组交换（Packet Switching）,分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组 分组交换有虚电路分组
11、交换和数据报分组交换两种。 1虚电路分组交换的原理与特点 网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。这条电路不是专用的。,具有线路共享的优点。分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。通信双方要进行流量控制和差错控制，保证按顺序正确接收，所以虚电路意味着可靠的通信,虚电路分组交换原理,2数据报分组交换的原理与特点每个分组的传送是被单独处理的。不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。接受端可以按编号顺序重组,数据报分组交换,5.3.4 异步传输ATM,
12、1ATM（Asynchronous Transfer Mode）简介 ATM技术是一种高速的分组交换技术。它是以信元为单位，通过虚连接进行多媒体信息的交换。 ATM信元头只有5个字节，其功能比普通的分组交换精简得多，功能有限。其中有虚电路标志用以识别虚连接， 支持一些很有限的流量控制、拥塞控制和差错控制等功能。 ATM采用的统计时分复用（Statistical Time Division Mutiplexing）的方式进行数据交换。,5.4 差错检测与控制技术,5.4.1 差错的产生原因 差错控制是在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。 传输中的差错都
13、是由噪声引起的。噪声有两大类： 热噪声引起的某位码元的差错是孤立的 冲击噪声影响到一串码元,5.4.2 差错控制,1自动请求重发（ARQ） 这种方式在数据的实时性要求很高的场合就不能用。,停止等待方式,这种检错重发技术的缺点在于停止等待本身使传输效率低。如果再考虑重发的因素，传输效率还更低。,返回N帧（Go-Back-N）ARQ,退N帧ARQ差错控制方式,2向前纠错（FEC）,在发送端发送能够纠错的抗干扰编码，如海明码。接收端收到这些码后，通过纠错译码器，不仅能发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误。 这种方式适用于单工信道且不可能要求重发的场合。缺点是附加信息量大、传输效率低、解码设备较复杂
14、。,5.4.3 常用的检错方法,1奇偶校验 2行列监督（LRC）,行列监督码,纠错能力： 1）能发现某行或某列的奇数个错误和长度不大于行数（或列数）的突发错误。 2）有可能检测出偶数个错码。 3）可以纠正一些错误，如判定该行该列交叉位置的码元错误。 4）检错、纠错能力强，实现容易，易于推广。,3CRC循环冗余校验 发送器和接收器约定选择同一个由n+1个位组成的二进制位列P作为校验列，发送器在数据帧的K个位信号后添加n个位（nK）组成的FCS祯检验列（Frame Check Sequence），以保证新组成的全部信号列值可以被预定的校验二进制位列P的值对二取模整除；接收器检验所接收到数据信号列值
15、（含有数据信号帧和FCS祯检验列）是否能被校验列P对二取模整除，如果不能，则存在传输错误位。 FCS帧检验列可由下列方法求得,5.5 光纤通信的基本原理,光纤通信的原理： 在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。,1发射器 2光导纤维 3光放大器 4接收器 5光纤通信系统的评估指标 常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积，单位是百万赫兹公里（MHzkm）。,5.6 移动通信技术的基本原理,5.6.1 GSM移动通信
16、系统介绍 GSM属于第2代（2G）蜂窝移动通信技术。2代的说法是相对于应用于80年代的模拟蜂窝移动通信技术以及目前正逐渐进入商用的宽带CDMA技术。 GSM 是一个蜂窝网络 GSM网络一共有4种不同的蜂窝单元尺寸：巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。,1. GSM数字移动通信系统的结构,GSM网络结构图,MS（Mobile Station）移动台 BTS（Base Transceiver Station）基站收发信机 BSC（Base Station Controller）基站控制器 MSC（Mobile Service Switching Center）移动业务交换中心 GMSC（Gatewa
17、y MSC）MSC关口局 VLR（Visitor Location Register）拜访位置寄存器 HLR（Home Location Register）归属位置寄存器 AUC（Authentication Center）鉴权中心 EIR（Equipment Identity Register）移动台设备识别寄存器 OMC（Operation and Maintenance Center）操作维护中心,移动交换系统NSS NSS主要完成交换功能以及用户数据管理、移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。 移动交换系统由移动交换中心MSC、归属位置寄存器HLR、拜访位置寄存器VLR、设备识别寄存
18、器EIR、鉴权中心AUC和短消息中心SMC等功能实体构成。,基站子系统BSS BSS是NSS和MS之间的桥梁，主要完成无线信道管理和无线收发功能。BSS主要包括基站控制器BSC和基站收发信台BTS两部分。,操作维护子系统OMS OMS可以实现GSM网络各功能单元的监视、状态报告和故障诊断等功能。 OMS分为两部分：OMC-S（操作维护中心-系统部分）和OMC-R（操作维护中心-无线部分）。OMC-S用于NSS系统的操作和维护，OMC-R用于BSS系统的操作和维护。 移动台MS MS是GSM系统的用户设备,2GSM的多址技术,为了更有效的利用频率资源，GSM系统采用了频分多址（FDMA）与时分多
19、址技术（TDMA）相结合的多址技术。,5.6.2 3G主流技术标准及比较,ITU针对3G规定了五种陆地无线技术，其中WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA是三种主流技术。 1. 标准稳定性 2. 系统性能,5.6.3 3G项目实例,R99版本网拓扑图,WCDMA核心网络分为CS域和PS域。CS域以原有的GSM网络为基础，PS域以原有的GPRS网络为基础。 CS域 PS域 CS域和PS域共用的功能实体 HLR VLR AUC EIR SMS,CS域功能实体： MSC GMSC IWF PS域功能实体： SGSN GGSN CG BG MSC Server MGW SG,5.6.4 LTE的
20、核心技术,LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡。,LTE的主要技术特征,（1）通信速率有了提高 （2）提高了频谱效率 （3）以分组域业务为主要目标 （4）QoS保证 （5）系统部署灵活 （6）降低无线网络时延 （7）增加了小区边界比特速率 （8）强调向下兼容,5.6.5 4G技术发展特征及趋势分析,ITU代表了传统移动蜂窝运营商对4G的看法，认为4G是基于IP协议的高速蜂窝移动网，现有的各种无线通信技术从现有3G演进，并在3GLTE阶段完成标准统一。IT
21、U4G要求传输速率比现有网络高1000倍，达到100Mbit/s。,1. 4G核心技术,正交频分复用（OFDM）技术 软件无线电 智能天线技术 多输入多输出（MIMO）技术 基于IP的核心网,2. 4G的定义与主要技术指标,第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络。 主要指标: 1.数据速率提高到100Mb/s 2.支持高速数据和高分辨率多媒体服务的需要 3.对全速移动用户能够提供150Mb/s的高质量影像等多媒体业务。,3. 4G相对于3G的超越之处,（1）4G移动通信技术的信息传输级数要比3G移动通信技术的信息传输级数要高一个等级 （2）主要发展数字广带（Broad band）为基础的概念。 （3）灵活性要比3G强得多。 （4）4G移动通信技术将可让所有移动通信运营商的用户，享受共同的4G服务。 （5）该技术应该能根据网络的动态和自行变化的信道条件 （6）它能综合固定移动广播网络或其他的一些规则 （7）该技术将以几项突破性技术为基础，例如一些光纤产品公司用来提高Internet主干带宽的技术，它将对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统都高得多。,Thank You !,
