通信网理论基础-第1-2章-绪论和通信网的组成要素.pdf

通信网理论基础 本课程使用的教材 通信网理论基础 作者周炯磐教授 出版人民邮电出版社 参考书 通信网基本概念与主体结构影印版 原书名Communication Networks Fundamental Concepts andKey Architectures 作者Alberto Leon-GarciaIndra widjaja 出版清华大学出版社 通信网基础 作者王承恕 出版人民邮电出版社 本课程的内容安排第一章对通信网作一概述对要研究和探讨的问题作一概述第二章对通信网内的部件和必要的标准协议作一介绍第三章研究网络拓扑结构介绍现代图论的基本概念最短径和 最大流量算法等这些是近代网络结构优化的必要知识第四章研究网内业务量的分析方法介绍排队论的基本概念和方 式第五章介绍现代网络可靠性理论的基本概念网络结构的分解和 简化模型计算网络的各种性能指标第六章讨论通信网的优化理论这是网络理论向实用化发展的一 个方向第一章第一章 引论引论通信的概念通信的概念 通信信息的传递和交换 传递克服时间和空间的限制 交换信息只有交换才有意义1.1.1.1.系统与网络系统与网络 通信系统将一个用户的信息传送到另一个用户的全部设施 单工通信系统 发端机把信源信息转换成可在信道上传送的信号 信道传输信号所需的线路及其附属设备 收端机把信号恢复成用户所需的信息 双工通信系统如电话 用户 A 与用户 B 之间 有一套从 A 到 B 的独立正向通信系统 还有一套从 B 到 A 的独立反向通信系统 半双工通信系统如步话机 用户 A 与用户 B 之间收发端机各有一套 信道只有一条正向通信与反向通信分时共用 通信网络 通信网络是通信系统的系统 当几个用户要两两之间相互通信时 就需要一个通信网络 最简单的方法就是构成一个全联结网 即建立 n(n-1)个通信系统 或 n(n-1)/2 个双工或半双工通信系统 但成本最高资源利用率最低浪费最大 当然还有许多其它的方法来构成更经济更高效的各式各样的通信网 如电路转接信息转接多址随机接入等方法 引入卫星通信所形成的面式网 计算机通信中的总线网 通信网问题 指带有综合性和整体性的问题 不涉及具体的通信设备 整体性问题的发展 将指导部件设备的发展方向 以便更好地组成合理的通信网 网络结构优化和规划理论 比依据人的经验进行设计会有较大的节约 业务量的随机性分析与优化控制理论 将导致更有效地使用信道和设备 可靠性理论 会使通信网的运行更趋稳定 在有限地增加投资的情况下 通信的中断率可大量地减小1.2.1.2.通信网类型通信网类型 依通信的内容来分电话网电报和电传网传真网和计算机网广播电视网 电话网语言是人类交换信息的主要手段 但语言听觉信息易于传输 所以发展得最快最庞大最完善 电报和电传网电报包含的信息量最小 所以它是第一次实现远程通信的业务 但它包含的信息量过小不能完全满足人类的需要 计算机网 广播电视网单向通信 不同的网络往往不能相互调节 即当某种网络的业务溢出时无法利用另一类网络 依通信范围来分局部网市内网国内网国际网 或专用网公用网 或固定网移动网 各种局部网各个国内网有可能采用不同的制式不同的标准因此互联时会出现问题 依信道来分有线网无线网 或电缆网无线短波网微波中继网卫星网光缆网 无线短波网成本低易建设 但质量不稳定甚至得不到保证 卫星网适宜建设远距离全联结网 光缆网容量大干扰小质量甚好1.3.1.3.对通信网的要求对通信网的要求(1)转接的任意性(2)通信的可靠性(3)通信的时效性(4)信息的透明性(5)质量的一致性(6)结构的灵活性可扩充性简单性(7)对新业务的适应性(8)经济上的合理性(9)在某些情况下还会要求通信的安全性 转接的任意性 网内任意两个用户可以互通信息 如果网中的某些用户不能与其它用户通信 则这些用户不能称为属于这个网 任意转接还包括快速接通的含义 如果接通需要花费很长时间 则对某些情况来说这种接通也是无效的 通信的可靠性 一个不可靠或经常中断的网是不能用的 不可靠性包含 通路中某些物理环节发生物理性故障 致使丧失原有功能又不能及时修复引起长时间接不通 由于系统受到某种干扰使通信内容发生较严重的畸变错误 由于过载而使网络拥塞使网络处于不可用状态 绝对可靠的网络是没有的 所谓可靠是概率意义上平均故障间隔时间或平均运行率或信噪比或信息差错率能达到要求 在军用通信网中可靠性要求几乎凌驾于经济性之上 关于呼损而须等待也常被作为可靠性来处理 通信的安全性也可作为可靠性要求的一种内容 通信的时效性 通信系统必须在用户可接受的时间范围内完成信息传递 通信的时效性是由信息的时效性决定的 信息的透明性 所谓的透明 就是所有信息都可以在网内传递不加任何限制 就像透明物体中能通过任何波长的可见光一样 信息的透明性要求网络对用户不应有太多的要求 如数据通信中需从线路信号中提取时钟信息 以保证比特同步 当信息流中有过多的连0或连1时 就会影响时钟的提取 如果对用户提出这种要求 则网络对信息的透明性就不好了 透明性良好的网络对用户不作任何限制 任何信息均可畅通无阻 质量的一致性 质量指标对通信系统是非常重要的 质量不符合要求会使通信失去意义 网内任何两个用户不论他们距离的远近 都应有相同或相仿的质量 当然质量的一致性并不是说质量完全相同 而是指规定最低的质量指标 要求所有网内通信都高于这个指标 结构的灵活性简单性可扩充性 建设通信网时总是逐步扩大的 如果一个网络一旦建成后不再容许新用户进网 也不能再与其它网络互联这是很不理想的 严重限制了网络的发展 对新业务的适应性 通信网中业务的建设也是逐步扩大的 电话网对新业务的适应性就不好 能适应传真业务但速率太低 能适应数据业务但速率低利用率低 不能适应图像业务 经济上的合理性 如果网络的造价十分高维修费用非常大 最终导致成本极高则再好的网络也无法运转 如铱星移动系统 这种合理性要求是最复杂的因为它已不仅仅是技术问题 这种合理性与技术经济发展水平有关 经济上的合理性还与用户的需求有关 通常一个网络的建设要分阶段进行以达到最大经济效益 每一阶段建多大容量与需求预测有关 建多了会使设备闲置造成浪费 建少了不能满足要求受到非议 丧失产生良好效益的机会 这些在经济上都是不合理的 通信的安全性 保证通信的内容不会被未授权者所获取或被人破秘而窃取 信息的价值愈来愈被人们所重视 尤其是军事信息第二章第二章 通信网的组成要素通信网的组成要素2.1.2.1.概述概述准软件信令协议标输系统系统交换系统传硬件终端系统用户通信网2.2.2.2.终端终端 终端设备的功能作用使待传送的信息与在信道上传送的信号之间相互转换 终端设备的构成传感器信令发送机接收机 传感器又是终端设备的终端部分 语声传感器将语声信号转换为电信号 炭精话筒逼真度和频响均不甚理想仅用于电话 耳机将电信号转换为语音信号 音箱 图像传感器 滚筒式感光扫描仪用于传真机速度较慢 电子扫描仪用于可视电话电视速度稍快 光敏电子耦合阵列成像仪 红外热敏耦合阵列成像仪 信令 使用户终端能进网并与网内其它用户联系 其中包括 选择被叫用户的寻址信号 控制电路接通与断开的控制信号 辨别状态和表示状态的联系信号2.3.2.3.信道信道 信息的传输通道 在电信网中称为传输线路 它是电磁波的传播途径 当电磁波携带含有信息的一个信号时就构成一条信道 一条传输线路上可以形成多条信道 电磁波的传播方式有无界传播导引传播 无界传播在自由空间中传播 导引传播沿导体传播这类信道称为有线信道 信道的分类 按媒体分 有线信道架空明线对称电缆同轴电缆光缆 无线信道地波信道长波短波电离层反射信道微波视距传播信道人造卫星中继信道各种散射信道 按参数分 恒参信道 恒定参数信道 对信号传输的影响是确定的或变化是及其缓慢的 可等效为一个非时变系统 如架空明线电缆光缆中长波地波传输信道微波视距传输信道 随参信道 随机参数信道变参信道 对信号传输的影响是 不确定的随机的 对信号传输的影响是 随时间变化很快的 对信号的衰耗也随时间变化 对信号的延迟也随时间变化 有多径传播现象 如短波电离层反射信道超短波流星余迹散射信道超短波对流层散射信道超短波超视距绕射信道超短波及微波对流层散射信道 按信号分 模拟信道 载波传输信道 模拟微波信道 数字信道 PCM 传输信道 数字微波信道 无线信道 无线信道的划分 频段名称频段名称 频率范围频率范围 波段名称波段名称 波段范围波段范围 主要用途主要用途极低频极低频 ELF 330 Hz极长波极长波 ELW10010 兆米兆米超低频超低频 SLF 30300 Hz超长波超长波 SLW 101 兆米海底通信兆米海底通信电报电报特低频音频特低频音频 ULF3003000 Hz特长波特长波 ULW10010 万米数据终端万米数据终端实线实线甚低频甚低频 VLF 330 kHz甚长波甚长波 VLW 101 万米导航万米导航频率标准频率标准低低 频频 LF 30300 kHz长长 波波 LW 101 千米导航千米导航电力通信电力通信中中 频频 MF3003000 kHz中中 波波 MW 101 百米广播百米广播业余无线业余无线高高 频频 HF 330 MHz短短 波波 SW10010 米国际定点通信米国际定点通信甚高频甚高频 VHF 30300 MHz米米 波波 VSW 101 米电视米电视,调频调频,移动移动特高频特高频 UHF3003000 MHz分米波分米波 USW 101 分米电视分米电视,雷达雷达,遥测遥测超高频超高频 SHF 330 GHz厘米波厘米波 SSW 101 厘米卫星厘米卫星微波接力微波接力极高频极高频 EHF 30300 GHz毫米波毫米波 ESW 101 毫米射电天文毫米射电天文科研科研至高频至高频3003000 GHz丝米波丝米波 101 丝米丝米 长波信道 频率300 千赫以下 波长1000 米以上 特点 沿地表海面传播 损耗小有利于通信 带宽小不适合大容量通信 用途 曾用于长距离通信大使馆与国内的通信 现仅用于航海导航系统 中波信道 频率0.3 兆赫 3 兆赫 波长100 米 1000 米 特点 以地表面波为主要传播方式 传播损耗比长波要大些传播距离中等 用途 0.5 兆赫1.5 兆赫用于调幅广播 其它频段用于港口及其附近海域的移动通信 短波信道 频率3 兆赫 30 兆赫 波长 10 米 100 米 特点 地波传播短波可以沿地表传播但衰耗已经很大通常作近距离传输 天波传播短波也可以经电离层反射传播反射可以是一次或多次传播距离在几千至上万公里一次反射最大跳距约 4000 公里 由于波长已经较短所以天线设备可以较小 由于电离层受昼夜地磁太阳黑子等环境影响较大使得衰落现象严重不易保证通信质量 用途 可用于远距离通信 在卫星通信出现之前曾经是国际通信的主要手段 广播电台和业余无线电台常采用这个频段 由于组网困难所以通常只用于点对点通信 超短波信道 频率30 兆赫 3000 兆赫 波长0.1 米 10 米 再细分 甚高频 VHF30 兆赫 300 兆赫 特高频 UHF300 兆赫 3000 兆赫 特点 电离层对此波段已不反射 地面传播的损耗已经很大 其主要传播方式为空间直射波+地面反射波 其有效通信距离为100 公里左右 所以只适合于近距传输 可用带宽比短波要大 用途 调频声音广播和电视广播 蜂窝移动通信 微波信道 频率3000 兆赫以上 波长0.1 米以下 再细分 分米波1 分米 10 分米 厘米波1 厘米 10 厘米 毫米波1 毫米 10 毫米 亚毫米波1 毫米以下 特点 波长已经很短天线的方向性相当好通常采用视距传输 在自由空间中传播时电波传输的方向性相当好 能量沿一定的方向传播传输效率较高 频带也较宽适合大容量的信息传输 大气折射浓雾暖地面上冷气团对传输有衰落影响 多径衰落会经常出现 雨衰减会减小接收信号的功率 用途 中继传输每 50 公里设置一个中继站可构建一条很长的微波线路 该频段还可用于构建卫星电路实现越洋通信 散射信道 利用无线电波在对流层散射而返回地面来进行通信 大气层和电离层的不均匀性会造成电波的散射 散射波中的一部分将返回地面从而被接收到 频率范围100MHz10GHz 通信距离150km 1000km 主要问题 散射波的传输损耗很大 存在快慢两种衰落现象因此接收信号强弱变化很大 解决办法 使用大功率发射机大天线低噪声接收机 采用分集接收 特点 传输频带宽通信容量大 不使用地面中继 可以多路复用如 120 路电话或一路电视 不受核爆磁爆极光的影响 成本高 适用 军事通信 跨越海湾山峰沙漠无人区的通信 流星余迹信道 利用流星余迹作为散射媒质原理与散射信道相同 特点 不使用地面中继一次可跳跃几百公里 信号微弱需要大功率传输 难以维持稳定的通路 适用 不宜作为通信网的信道 只能作为特种的点对点通信或备用信道 有线信道 架空明线 结构 由一系列电线杆支持的 架在地面上的一种裸线线路 特点 容易建设成本相对较低 串话现象较严重 通信质量不稳定 线路容量小 对称电缆平衡电缆 结构星绞电缆 特点 对称线对间的相互串音随频率的升高而愈加严重 每公里衰耗与频率 f 成正比 从而限制了使用频率的提高容量不大 应用市话中继线路用户线路部分长途线路 同轴电缆 结构金属圆管管心上一金属导线轴心重合 特点频带宽 低频时串音和抗外界干扰特性不如对称电缆 高频时外导体的屏蔽作用使串音和干扰减小 因此适合高频传输 光缆 光缆上开放的数字容量系列 PCM 一次群 PCM 五次群 光缆系统 目前尚无全光系统因此需要光/电电/光转换 中继器目前已有光放大器所以可不必转换 结构芯线涂覆层加强钢丝护套 光纤的发展 不断降低衰减延长无中继距离?研究造成传输衰减的因素?1970 年20 dB/km0.8m?1972 年 4 dB/km0.80.9m?1974 年2.2 dB/km0.80.9m?1976 年1.6 dB/km0.8m 0.5 dB/km1.3m?1979 年0.2 dB/km1.55m 不断改进生产工艺降低成本 光通信系统的发展 传统的光纤通信系统?线 网?局间中继 用户环路?城市网 宽域网?集成化程度低 高 相干光通信系统 光孤子通信 光波分复用WDM 光时分复用 光纤的优点 频带宽目前n10Gb/s 理论20000GHz 频率特性好 衰耗低0.1 dB/km无中继距离可达 200km 无辐射对其它通信设备无电磁干扰 无感应 安全性好 经济 重量轻耐腐蚀 光纤的缺点 生产工艺复杂 接续衰耗大 有弯曲衰耗 机械性脆弱给成缆带来困难 波导管 微波通信中天线进局的部分使用波导管 在传输的理论研究中使用波导管 信道复用设备 一条线路可以分成多个信道来传送多路信息 由多个信道共用同一条传输线路称为信道复用 信道复用设备应算是信道的一部分 复用的原理与方法有 FDM频分复用如载波通信系统 TDM时分复用如数字通信系统 CDM码分复用 SDM空分复用 另一种复用方式多址接入方式 FDMA频分多址接入如卫星通信就使用这种方式 TDMA时分多址接入如卫星通信就使用这种方式 CDMA码分多址接入如移动通信多弹头导弹控制系统 对信道的要求 经济性 包括初始建设费和经常维护费用 建设的难易程度建设周期资金回收 占用的资源是否允许 容量和质量 随着对信息需求的增长大容量的信道受到人们的关注 质量主要是指信噪比失真误码率码元丢失率等 可靠性 意味着不经常出故障或中断通信 例如 架空明线和短波无线信道 都是价格较低质量和容量不甚理想可靠性较差的信道 微波中继线路 是最经济的容量和质量均较好的信道 卫星信道 其优点很多 卫星寿命不断加长 通信转接容量不断增加费用逐渐下降 卫星具有面式网的特点其通信费用与距离基本无关 卫星构成的网络基本上是全联结网 因此卫星通信很适用于长距离的传输线路 光缆线路 其质量和容量是最优的 占用的资源是二氧化硅在地球表面含量巨大资源成本很低 只是生产工艺较为复杂导致生产成本偏高2.4.2.4.交换设备交换设备 引言 端机和信道构成点对点的通信系统 要把点对点的通信系统组成通信网就必须有交换设备 信息交换有三种方式 电路转接电路交换 信息转接分组交换 随机接入 电路转接 在电路转接通信网中转接任务是由局或站来完成的 通常每个局覆盖若干个用户 各局之间用中继线联结 每个局通常能完成三种转接任务 局内用户间的转接 本局用户与它局用户间的转接 它局用户之间的转接 每个局还应完成信令应答监视计费等管理性任务 电路转接设备 转接设备方框图 开关群原理图开关群监视控制j1j2c1c2?jkjk+CkCk+用户线j1j2j3jn-1jnC1 C2 C3Cn-1 Cn进线 出线 控制设备 根据用户的拨号控制开关节点的闭合来实现前述三种转接 电路转接的缺点网络资源线路交换设备等利用率低利用率通常在 50以下 电路转接的优点 连接质量高 实时性好时延小 服务质量有保证 接续和转接速度快 信息安全性较好 信息转接 信息转接又称存储转发系统 信息转接适用于实时性要求不高的业务 同时能够提供准确性要求很高的业务 信息转接的具体应用形式有 分组交换包长不固定 信元交换ATM包长固定 分组交换已成为计算机相互通信的主要方式 信元交换ATM也在电信网中有较为广泛的应用骨干网 信息转接的交换设备 方框图控制器存储中央处理器 它实际上是一个专用计算机系统 控制器是其输入输出接口 只有当控制器处于接受允许状态时对方才发信息 收到信息后先检验是否出错?然后发回确认或否认信息 确认后把信息送到中央处理机去选路并存储 否认后等待前一站重发 信息转接的优点是网络资源的利用率较高 缺点是时延较大不适于实时性要求高的业务 适用性比较 信息转接适用于短的稀疏的信息通信 电路转接适用于较长的信息通信 专线连接不需交换适用于业务量非常大的通信 分组交换的由来 分组交换技术最初是为了提供一种保密的声音通信的手段 60 年代美国国防部主持了一项研究 目的是开发一种能交换带有声音对话的分组网络 人们希望把一个声音对话分割成许多小段 让它们通过系统中各个不同的信道来传送 一旦有敌人在某一条特定的通信线路上窃听 那么他们也只能获得整个谈话的一小部分 因为整个对话已经分组包装送到不同的路径上进行传输 任何一条路径中都不可能获取通信的全部内容 随后人们很快认识到 分组交换还能够更好地应用到数据通信中来 分组交换的优点 它允许多个用户终端复用同一个计算机通信端口 它不是一个用户专用一个端口 而是多个用户共用一个端口 它把来自若干个终端的多路数据送入同一条信道 实际上这实现了时分多路复用 这种方法更加充分地利用昂贵的通信信道 端口和信道的多路复用又称为虚拟信道或虚拟电路 虚拟表示一个用户认为他独占了资源 而实际上这个资源是大家共享的在它在那吗不能你能看见它吗透明不在它在那吗能你能看见它吗虚拟 多址接入MA 这是一种没有交换节点的交换系统 所有 N 个用户通过线路连接起来 每个用户有一个地址 线路上有 NN1/2 个双向信道 预先分配好任意两个用户之间有一条双向信道 于是形成一个全联结网 任一用户要与另一个用户通信时只要选择相应的信道即可 这就是 ALOHA 系统 通常用于卫星通信网 其缺点是信道利用率极低理论计算表明只有 18.4%物 理 线 路一条逻辑双向信道#1#N(N1)/2#1#2#N#1#2#3#N#2 可按需分配信道的多址接入系统-SPADE 系统 用于卫星通信网 一个转发器的频带分成 900 个信道 每信道为一个 PCM 话路 每一信道可被任意用户所使用 另有一个公用广播频段划分为 50 个时隙 其中一个用于同步 其余 49 个分配给 49 个地球站此系统最大容量就是 49个站 各站应把自己的工作状态通过广播信道通知其它各站 如正在与哪个站用哪个信道进行通信等 因此各站都清楚系统中话路的忙闲状态 当本站要与其它站通信时 首先选一个空闲话路然后通过广播信道发出呼叫 呼叫中包含被叫地址 对方收到后作出应答建立连接 同时广播所选话路已被占用 这种方式可提高信道利用率 实际上完成了没有交换节点的交换 这里的交换是由用户自己控制的 所以也称为分散控制的交换系统 具有随机接入性质的 ALOHA 系统总线网 专为计算机通信而设计#1#1#2#2#n#n 一台主机和多个用户通过总线连接起来只有一个信道 主机通过总线可以把信息传给网内的所有用户 用地址表明信息给哪个用户 各用户即计算机终端均可收到主机发来的信息 通过地址来判断信息是否属于自己 当用户向主机发送信息时可随时向信道发送信息 主机收到后会应答 由于总线上有多个终端所以会发生碰撞 碰撞后两个或两个以上用户发送的到信息都被破坏 主机无法应答 各终端收不到应答隔一定随机时间段后再重发 直至主机应答为止 这种方式的缺点是由于碰撞信道利用率很低 采用监听的 ALOHA 系统CSMA载波监听多址接入 各用户在发送信息前首先监听一下 看是否有其他用户正在使用信道 采用监听并能检测碰撞的 ALOHA 系统 CSMA-CD 注意所有改进信道利用率的方法 都是以加入控制信息为代价的 即控制越复杂终端和交换设备也越复杂 信道利用率也就越高 随机接入的多址网常用于局部网络2.5.2.5.通信网的约定通信网的约定 引言 有了端机信道和交换设备从装备来说已能完成用户之间的通信了 但要使通信网顺利地运转要使信息顺畅地流通则还不够还需要一些约定 终端设备除了硬件之外还要有软件要有用户信令signaling要有设备标准 网络设备除了硬件之外也要有软件要有网间信令signaling要有接口标准 计算机网络中要有协议protocol 传输系统除了硬件之外还要有传输标准要有质量标准 从某种意义上说没有这些约定就不能形成通信网 而且通信网的性能和效率在很大程度上决定于这些约定 要建立世界性的通信网则这些约定最好全世界统一2.5.1.2.5.1.电话信令 电话信令 电话信令 信令信息大致由三部分组成 地址信息用于标识每个用户使网络能够找出被叫用户 控制信息建立连接转移连接拆除连接占用资源选择路由 状态信息拨号音回铃音忙音语音报告信息 信令应满足两种要求完整性和节约性 完整性不论网络中出现什么情况发生什么故障都应有适当的信号来表示和应对使端机能做出正确的反应 节约性就是信令占用信道的时间不宜过多否则会降低网络利用率和通信效率 用户线信令 主叫端与交换局 交换局与被叫端 拨号信令 最早使用脉冲信令?速度814 个脉冲/秒 手拍插簧可实现?断续比1.31.9:1 后来使用双音多频脉冲信令低频组高频组 1209 Hz 1336 Hz 1447 Hz 1633 Hz 697 Hz 1 2 3 770 Hz 4 5 6 852 Hz 7 8 9 941 Hz#0 *备 用 铃流90V 断续比4:1 声音信息 拨号音连续音 忙 音断续比为 1:23 回铃音断续比为 4:1 局间信令 电话网中的用户线信令大致是规范化的 世界各地差异不大 但局间信令的差异就大了 局间信令在电话网问世以后就出现了 由于国际电话业务的需要CCITT 从 1934 年开始就对信令作了统一的规定 No.1 信令系统 1934 年被标准化 是国际长途人工交换使用的标准信令 No.2 信令系统 1938 年被标准化 是国际长途半自动交换使用的标准信令 No.3 信令系统 1954 年被标准化 是国际长途半自动和全自动单向电路使用的标准信令 No.4 信令系统 1954 年被标准化 No.5 信令系统 1964 年被标准化 是洲际长距离电路(如洲际海缆洲际卫星等)的标准信令 适用于半自动和全自动运行和双向工作 No.5 bis 信令系统 1968 年被标准化 是 No.5 信令方式的改进 只适用于四线交换和四线电路上 R1 信令系统 是美国贝尔公司提出的 曾应用于美国加拿大 七十年代初被 CCITT 定为国际标准 R2 信令系统 是欧洲国家使用的信令方式 后被 CCITT 定为国际标准 No.1No.5bisR1R2 信令方式均属随路信令 No.6 信令系统 1968 年被标准化 1974 年为适应数字通信的需要又增订了 No.6 信令 系统的数字应用方式 称之为共路信令方式 以消息的形式发送各种信令 1978 年美日澳大利亚三国间首次使用了六号信令 No.7 信令系统 1980 年被标准化 专为数字化通信网而设计为 ISDN 而设计 是具有通用性的共路信令方式 它适用于下列网路环境的信息交换?交换机 与 交换机 之间?交换机 与 数据库 之间?交换机 与 智能节点 之间 网管中心业务控制点?ISDN 网内 及 ISDN 网间 优点?信令容量大 采用可变长信令消息?传送速度快?可传送各种业务的控制信令和数据 我国国内电话网的局间信令 中国一号信令 中国七号信令?基本上与国际七号信令一致?只在个别地方为适合国内应用做了相应的修改?如信令点编码 DPCOPC?消息数量一些参数的定义等等 信令举例交换局 A交换局 B摘机呼叫拨号音忙音拨号被叫地址占用某条电路准备好被叫地址振铃回铃音摘机应答应答通话挂机释放拆线请求忙音挂机拆线完成2.5.2.2.5.2.计算机通信协议 计算机通信协议 计算机通信协议 作用与电话网中信令的作用是一样的 不同点 在计算机通信中人的参与更少所以完整性就更为重要 由于采用信息转接的交换方式 所以通常把地址控制状态管理等信息都封装在数据帧中 而不是表现为一条一条不同的信令 其内容更为复杂 包括网内传输的各种规定 包括计算机内部和用户的各种情况 整个传输和交换过程不但涉及网内的结构和运行也涉及计算机类型操作系统和应用软件等 协议分层 为简化和明确起见国际标准化组织ISO建议 将数据通信协议分为七层物理层链路层网络层传输层对话层表示层应用层 低三层又称为通信层是对通信网而言的 高四层又称为用户层是对用户网而言的应用层表示层对话层传输层网络层链路层物理层用户层通信层 物理层规定了网络的电气特性机电性能 如代表0和1的电压值 匹配阻抗 每个比特每个符号的时长 建立通信的起始和终止 传输方式为全双工半双工还是单工等 它提供一条物理的数字通道 链路层规定了建立链路的过程 如定义了信息包在传送过程中所必须的帧结构 包括帧的起止符号检错用的监督比特及检错算法 双方相互联系的应答过程 网络层规定了通信网内路由选择的方式 以建立用户在通信期间所必须的传输设施 如要根据目的地地址信息来选取最佳路由?发端要将比较长的信息分成若干个信息包并编序号?收端要把若干信息包根据序号恢复成原始信息 当发生阻塞时根据一定的规则来调整路由 传输层传送层这一层功能完成后在信源和信宿之间或在两主机之间就能相互通信 传输层通常是主机操作系统的一部分 传输层负责把上一层对话层来的信息转给网络层?以传送到对方?或把对方来的由网络层呈交来的信息转给上一层对话层 传送层把信息处理成适于网内传送的信息?如把信息分给各种网去传送?或为多个高层应用共享通信层而服务 对话层为用户之间对话而服务 如建立对话拆除对话确定对话对象等 如果不是授权的对话者则不予送出信息?以达到可靠性的要求 表示层在满足用户要求的基础上 为尽可能节省传输费用而服务 如文本压缩加密变换文件格式等 即用户信息在形式上是可以变换的以利传送 应用层由用户自己规定 只要形成的信息能与表示层接口即可 如各主机互访协议分布式数据库协议等 通常高四层用户层是计算机软件专业的任务 而低三层通信层是通信专业的任务 计算机通信协议举例?HDLC HDLC高级数据链路控制协议 是由 ISO 制定的标准在全世界有广泛的应用 它有一些重要的子集用于不同的应用场合 如 SDLC?同步数据链路控制协议常用于分组交换?是 HDLC 协议在 IBM 公司的版本 LAP链路访问过程?是 HDLC 早期的一个子集?是不平衡结构上的 HDLC?设置异步响应方式命令SARM LAPB?平衡型链路访问过程?广泛应用于全世界各地的专用数据网和公用数据网中?它被分组交换网络协议 X.25 所采用作为第二层协议 LAPD?通过 D 信道进行的链路访问过程?它也是 HDLC 的一个子集?用于 ISDN 用户信令的数据链路控制协议即第二层协议 LAPX扩充的 LAPB?是 HDLC 在半双工通信中的一个子集?用于智能用户电报 Teletex 的标准 LLC逻辑链路控制协议?用于局域网标准?是 IEEE 802 标准委员会制定的?它允许一个局域网接入一个广域网 HDLC 有多种工作方式 它支持半双工传送和全双工传送 它支持点对多点结构和多点共享结构 它支持交换型信道和非交换型信道 HDLC 中的通信站可以分为三种类型 主站负责控制数据链路?它向信道上的从站发送命令帧?同时接收从站发来的响应帧?如果链路是多点共享的则主站要负责为这条链路上的每一个站维持一个对话 从站不负责对链路的控制?以响应的方式对主站的命令做出回答?它仅维持与主站之间的对话 混合站既发命令又发响应?而且从另一个混合站接收命令和响应?它与另一个混合站之间维持一个对话 通信站经过三个阶段来完成相互之间的通信 一种有限状态机制历经三种状态来完成相互之间的通信 逻辑上的不连接状态LDS?禁止通信站发送或接收用户信息 初始化状态IS?由厂家定义 信息传送状态?允许主站从站和混合站发送和接收用户数据?可以用断开命令来改变这种状态 通信站在信息传送状态下有三种通信方式1 正常响应方式NRM 适用于主从型网络结构 从站在发信之前必须等到主站明确的许可 接收许可后从站启动一次响应其中可以包含用户数据 当信道被这个从站占用后它可以发送多个帧 发完最后一个帧后从站必须等待下一次许可才能再次发送2 异步响应方式ARM 适用于混合型网络结构 允许从站在未收到主站许可时就启动发送在信道空闲时 这一发送可以包含多个数据帧 也可以包含反映从站状态变换的控制信息 这种通信方式可以降低开销3 异步平衡方式ABM 适用于混合型网络结构 适用于混合站 一个混合站在未收到另一个混合站的许可时就能启动发送 HDLC 对主站从站和混合站有三种结构1 非平衡结构 由主站负责控制各个从站并发送工作方式命令 工作方式一个主站与一个或多个从站之间以点对点 或多点共享方式以半双工或全双工方式以变换型和非交换型等方式进行工作2 对称结构 它具有两个独立的点对点非平衡结构 它的每个站都有主站和从站两个状态 通信时总是一端的主站部分向另一端的从站部分发信 现在这种方式已不大使用了3 平衡结构 由两个以上点对点方式连接的复合站构成 信道可以是半双工或全双工交换型或非交换型 两个站在信道上处于同等地位对链路都进行控制 它们之间可以发送未经请求的数据 HDLC 的帧格式FACIFCSF 一个帧由 56 个字段构成 F标志字段 01111110?所有帧都必须以标志字段 F 开头和结束?在两个 HDLC 帧之间链路上可以连续发送这个标志序列 夭折信号由 7 个以上15 个以下连续的1组成?表示链路上发生了故障用于中止一个帧 空闲信号15 个以上连续的1表示信道处于空闲状态 插0删0在一个帧的开始标志和结束标志之间?在发端凡出现五个连续1时就插入一个0?在收端凡收到五个连续1时就去掉后面的一个0 A地址字段?用以标识在这个特定的帧发送中所涉及的主站或从站?全0表示不工作?全1表示广播信息即网内所有地址站点均解析此消息?其余号码分配给网内所有各站?在非平衡结构中不论是命令还是响应地址字段都含有从站的地址?在平衡结构中命令帧中含有目的站地址响应帧中含有发送站地址主站 A复合站 A复合站 B命令地址 B从站 B响应地址 B命令地址 B响应地址 B命令地址 A响应地址 A非平衡型平衡型 C控制字段8 比特?包含命令与响应?包含用来维持主站和从站之间数据可检查性所需的序号?控制字段将 HDLC 的帧分为三个种类F传递的第1比特信息帧ACIFCSF123456780NS)P/FNR1 0管理代码P/FNR管理帧1 1无编号代码P/F无编号代码无编号帧?NS发送序号?NR接收序号指出接收站所期待的下一帧的序号也作为对前一帧的确认?P/F探询/终止位置1时才有用?主站用 P 位请求从站发一个状态响应也表示探询?从站对 P 位的响应为数据或状态帧?主站使用时称为 P 位从站使用时称为 F 位 I信息字段?在信息帧中用于承载用户数据?在管理帧和无编号中无此字段 FCS帧检验序列?用于检验在两站之间的数据链路上信息传送时发生的差错?发送站对用户数据流进行一次运算把结果放入 FCS?接收站做同样的运算并把结果与收到的 FCS 作比较若二者相符则传输中无差错若二者不符则传输中有差错?在 HDLC 中这种运算采用循环冗余检验CRC运算?采 用 CCITT 的 V.41 建 议 中 的 生 成 多 项 式151216+xxx?用户数据流除以此生成多项式余数放入 FCS?CRC 可以检测出不超过 16 位的突发性差错和99.9984%的其他更长的差错2.5.3.2.5.3.质量标准 质量标准 质量标准 通信质量是指用户的满意程度包含两个方面 接续质量接通率或呼损率接续时长设备的故障率等 信息质量语音的清晰度图象的清晰度等 通常受终端和信道的失真噪声等限制 接续质量 主要靠增加网络资源来提高 网络资源多可以避免呼损 也可以利用迂回路由来提高可靠性 通过直达路由可以降低时延 管理和维护对接续质量也起着重要作用 接续质量随着技术的进步而逐步提高 如在电话网中起呼呼损率 0.5%?拨号呼损率市内 4%?长途 10%?用户设备故障率 1.5106?交换设备和线路故障率 6105?接通时延国内 1 分钟 又如在 ATM 网络中信元丢失率语音业务 105?图象业务 109?高速数据业务 1010 信息质量依信息类型的不同而异 当信息接受者是人时则以人的主观感受为依据 如声音信号 客观上的信号失真并不重要 只要人听上去要满意就认为已达到质量标准 话音质量通常以清晰度响度和自然度为主要指标 评定方法是主观测试 评定人员分为两组专家组和一般用户组 清晰度测试?清晰度与传输系统的频率畸变有关?一般用标准的互不联系的单音作为测试对象?若能听对 80%则清晰度合格?在单音能分辩 80%时全文的听懂率应在 90%以上则理解含义已无问题 响度测试?响度与传输系统的衰减有关?响度可用电平表测定?但每个人对响度的爱好各不相同?同样的响度有人认为太响有人认为太轻?所以也以评定人员打分为准 自然度测试?自然度与传输系统的衰减畸变有关?国际上规定了一个参考系统NOSFER?接上输出设备并加一固定衰耗器X1 dB由人去听?再换上待测设备并加一可变衰耗器改变衰耗值X2dB直至听者认为与标准系统有相同响度?则 X1X2 称为待测系统的自然度当量值?自然度当量值应当低于某个标准值 在数字电话系统中信息质量取决于信道的误码率 通常规定PCM 信道误码率 10-6 但是误码的模式有很多种?独立差错是常用的一种误码的出现是纯随机的?突发型差错也是常用的一种误码一来就是一串但很少发生 不同的误码模式对信息质量的影响是不一样的?若各种误码模式在长时平均误码率相同的情况下?则主观上听起来差别会很大 图象通信.黑白传真 规定一些测试图表作为评价传真的质量指标 测试图表中包括黑白相间的条纹相间的密度有若干等级 图表传真后看这些条纹是否还能分辩 通常以每毫米能辨别线数为质量指标分辨率 图象通信.照片传真 分辨率 能分辨的灰度等级 噪声水平 图象通信.彩色传真 还应加上彩色失真限度 图象通信.广播电视 清晰度 几何失真 色度和灰度失真 闪烁限度 制式PALNTSCSECAM2.5.4.2.5.4.传输标准传输标准 传输标准 包括信道接口的电平阻抗噪声分配互通条件同步导频多路复用系列等 这里只介绍多路复用的体制标准 频分多路又称载波系统 话路0.33.4 kHz带宽3.1 kHz实宽4 kHz 前群三个话路频带1224kHz带宽12 kHz 基群四个前群频带60108 kHz group 12 个话路 带宽48 kHz 超群五个基群频带312552 kHz super-group 60 个话路 带宽240 k