通信网理论基础 （南京邮电大学 张顺颐老师）.ppt

硕士研究生学位课程 通信网理论基础 张顺颐 2011，3，4 Date1 课程改革 本课程由于选修人数过多，经研究生部批准，自本届 起进行改革； 改革的基本作法，不再是限制选修的人数，而是在研 究生部的支持下，将全体学生分为两个大班上课，即 A、B两班； A班为通信与信息系统、计算机应用技术、信息网络 和信息安全专业，定位为学位课； B班为其它各类专业，定位为选修课； 根据教学计划，B班的授课学时安排40学时左右； 考试：A、B两班试卷有所差异，B班为60分通过； 希望各专业的同学按照上述要求选课； Date2 教学内容（A班） 第一部分：通信网络的现状及发展方向：当 前通信网的现状、网络的发展和融合（14 16学时） 第二部分：通信网络结构分析：图论、路径 、站址、流量、路由（48学时） 第三部分：计算机通信网络的地址、路由、 拥塞控制和管理（18学时） Date3 教学内容 第一部分 通信网络及其发 展 1、通信网及其发展 2、关注通信网络的发展与演进 3、网络融合技术MPLS 4、通信网络发展中的几个焦点问题 5、局域网的标准及发展 6、关于下一代互联网的标准体系 7、物联网技术及其应用 8、下一代广电网络NGB 9、三网融合 Date4 第二部分 通信网结构 1、图论基础 2、树 3、割、环、图的矩阵表示和运算 4、最短路径问题 5、网的中心和中心点 6、站址问题 7、资源共享的两个定理和线路利用率 8、流量分配与链路流量的最大化和最优化 Date5 第三部分 Internet的地址、路 由和管理技术 1、Internet的地址安排； 2、Internet单播路由协议； 3、对等网络P2P； 4、网络融合和IP电话； Date6 教学目的 1、随着通信技术的发展，通信网络快 速变化，通信网络的重要性日益提高 ； 2、通信方式的不断发展和变化，促成 网络的多样化，急需网络理论指导； 3、掌握网络理论，有利于深入了解现 有网络及其存在的问题，预见网络发 展的方向； Date7 教学目的 4、网络融合与NGN将引发通信技术的 革命性的变革； 5、通信新技术例如SIP协议的应用越 来越广泛，对等网络P2P将成为改变 因特网的新一代网络技术。这些使得 我们必须关注通信网络的技术发展； 6、通信、计算机等专业研究生的基本 知识、基本概念和基本分析技能的学 习； Date8 本课程的特点 1、站在宏观的、网络结构的基础上，分析 通信网络的基本特性（共性），不是从信 号的角度去研究网络，也不是就信号传输 的方式或者网络的具体组成研究网络； 2、在研究网络自身特性的基础上，分析网 络的基本特点； 3、将网络理论与当前通信网络的实际紧密 联系； 4、讲课为主，需要自学，少量习题； 5、考试：开卷、独立、笔试； Date9 参考书籍(带*者为主要) 第一部分 通信网络及其发展： *1、通信网基础 王承恕著，人民 邮电出版社，1999年 2、COMMUNICATIONS NETWORKS Fundamental Concepts and Key Architectures(Second Edition) Alberto Leon- Garcia,Lndra Widjaja Copyright 2004 by The McGraw-Hill Companies,Inc. （此书已有中译本，王海涛等译， 清华大 学出版社，2005年9月第一版） Date10 参考书籍 *3、COMPUTER NETWORKS (Fourth Edition) Orignal English Language title: Computer Netwoks,fourthEdition by Andrwew S. Tanenbaum,Copyright 2003 中译本：计算机网络（第四版），潘爱民译 ，徐明伟审，清华大学出版社2004年8月 第四版 Date11 参考书籍 4、第三代移动通信技术业务（第二版） 罗 凌、焦元媛等编著，人民邮电出版社 2007，7 Date12 参考书籍 第二部分：通信网结构 *5、通信网理论基础 周炯槃著，人民 邮电出版社，1991年 6、Communication Networks A Course (Second Edition) (美) Jeam Walrand 著 (美)McGraw-Hill公司出版 1999年3 月 Date13 参考书籍 第三部分：Internet的路由、拥塞控制 和管理 *7、计算机网络（第4版） 谢希仁编著，电 子工业出版社， 2003年 *8、高等计算机网络体系结构、协议 机制、算法设计与路由器技术 徐烙、吴建平等，机械工业出版社，2003 、9 Date14 参考书籍 9、对等网络：结构、应用与设计 陈贵海、李振华著，清华大学出版社 2007年9月第一版 10、P2P网络技术原理与系统开发案例 杨天路、刘宇宏等著，人民邮电出版2007 年6月第一版，2007年12月第二次印刷 Date15 教学环节 学时：48学时（通信、计算机、信息网络、软件 等 专业学位课） 讲课：40学时； 作业：约34次 考试：开卷考试 学分：3学分 申请：A班适用专业：通信与信息系统、信息安全 、信息网络、计算机应用技术； 需要注册； 未注册者、未参加考试者、缺交作业者将无成绩 Date16 第一部分 通信网及其发 展 南京邮电大学 教授、博士生导师 张顺颐 Date17 1：通信网及其发展 一、通信系统的构成 通信系统：由终端、传输网、交换和路由控 制设备等组成，用以完成信息的传输和转 换； 终端：完成信息的变换，使其适宜在网络上 传输或者显示； 通信网：信息传输和处理的信道； 交换机和路由器：选择信道的设备； Date18 一、通信网的构成 1、模拟通信和数字通信 根据信息传送的过程和特征，通信方式 可以分为： （1）模拟通信：模拟信号直接在信道 中传输 （2）数字通信：以数字方式传输信号 的通信 Date19 人的话音通信特点：用于传输话音 信号的带宽很窄。 原因是： 1、人的话音带宽本来就不宽；人的声音 频率约在 20 20000Hz ； 2、通信技术初期，铜线为主的信道价格 高昂，并且其带宽很窄，所以模拟通信 中为节省带宽，可将信道分为若干个频 带，并且将通信中传输每一路话音信号 的带宽限制在3400Hz的带宽以内，加上 间隔，每个话路限制在4000Hz,即 4KHz ，基本可以反映出说话者的声音特点。 这是所谓的“频分复用”； Date20 数字话路： 根据奈氏定理（采样脉冲的频率 ， 必须大于或等于被采样信号频率的两 倍，才可以使数字化以后的信号再恢 复 成原始信号时不产生失真），因为话 音 信号的频率带宽在4KHz，故使用 8Kb/S 的脉冲作为采用脉冲，将模拟信号经 过 脉冲取样、数字量化变成数字信号。 Date21 8KHz的采样脉冲每Ts=1/8KHz=125s， 为一帧，在这一帧内，一个话路只需要采样 一个信号的幅值即可。这个信号的幅值可以 用 8bit的数字信号表示。 每一数字话话路的速率：8bit/125s 8K8bit64Kb/S。 由于目前数字信道的传输速度已经远大于 64Kb/S，所以可以把多个话音信号组织到一 个传输系统中去传送。此即为“时分复用” 的 指导思想。 Date22 具体的通信信号组织为，每8bit为一时隙，32个 时隙为一帧，每16帧组成一复帧，其速率为： 1帧：64Kb/S322048Kb/S2.048Mb/S，称为 2M，俗称一次群。一次群是电信传输的一种基本 组 织方法。 在一次群以上，还有二次群、三次群、四次群等 。 二次群：4组一次群，2.048Mb/S48.192Mb/S； 三次群：4组二次群，8.192Mb/S432.768M/S； 这种信息组织的方法，在数据传输速率大大提高 的今天，已经不再向上发展，而是改为光同步传 输 系统（SDH）； Date23 PCM30/32系统的帧结构 PCM30/32系统的帧结构 Date24 数字通信和模拟通信 数字通信和模拟通信是两种通信方式： 数字通信：直接使用数字信号（表示信息） 的通信方式，如计算机通信。 模拟通信：使用模拟信号传输信息的通信方 式。 因此，模拟通信和数字通信，是表示通信的 方式，也就是通信中使用什么信号。 Date25 数字通信和数字信号 数字通信和数字信号是两回事： 数字通信：相对于模拟通信而言；指通信方 式，其特点是用数字信号的方式表示信息 并进行传输； 数字信号本身可以表示数据，也可以表示模 拟信息。根据使用场合的不同，数字信号 可以表示话音信号、数据、图像信号等。 Date26 数字通信和数据通信 数字通信和数据通信也是两回事： 数字通信是通信方式，其特点是用数字信号 的方式表示信息并进行传输。 数据通信：传输的信息是数据，这种通信称 为数据通信。其通信方式可以是模拟方式 ，也可以是数字方式。 数据通信是相对于话音通信而言的，往往是 指通信信息的内容。 Date27 数字通信和数据通信 例如传真通信、计算机等数据终端之间的通信， 都是数据通信。而话音通信中的固定电话，在 终端话机至端局交换机之间，往往还是模拟通 信。在交换机之后，多是数字通信。 数据通信相对于话音通信而言。 图像通信：活动或静止图像，将各象素的位置 （同步）、亮度（灰度等级）、色彩（红、绿 、蓝三色及其比例）经扫描变成数字信号，在 接收方同步恢复。 Date28 数据通信和数字通信 数据通信话音通信图像通信；通常是 指通信内容，这三种内容也就是当前社会主要 的信息交换。 数字通信则是与模拟通信相对，是指通信的方 式 所以： 模拟通信可以传输话音、数据、图像等内容； 数字通信也可以传输话音、数据、图像等内容 ； 数据通信的实现可以是模拟的，也可以是数字 的。话音、图像通信也如此。 Date29 图1 模拟信号的数字传传输 模拟 信息源 抽样 量化 和编码 数字 通信系统 译码和 低通滤波 m(t) 模拟随机信号 Sk 数字随机序列数字随机序列 k 模拟随机信号 Date30 2、通信网的硬件平台 （1）交换系统 交换机是通信系统的核心和控制设备； 用于交换的设备，其发展：步进制纵 横制电子式程控（程控式交换机、移动 交换机、ATM宽带交换机）路由器，软交 换设备等。 Date31 交换方式： 电路交换 报文交换 分组交换 混合交换 第二层、第三层交换、第四层交换适应计算 机通信网络的交换方式 Date32 （2）终端 完成各种信号与通信信号的转 换 电话机：完成拨号、呼叫、收听、通话 功能； 传真机：产生和接受信号，保持同步； 数字式通信设备：各种信号以数字信号 形 式代表。如各种计算机终端； 图像终端：图像摄取和显示终端； Date33 （3）传输 传输网络：普通明线 电缆 同轴电缆 光纤光缆 数字线 无线信道（无线接入 、 微 波、卫星等 ） Date34 3、通信网的软件平台 通信协议：支撑通信的规则、标准或约定 模拟通信、数字通信、移动通信、计算机通信，各 有其不同的协议； 通信协议多称为建议，计算机通信多称为协议。 管理系统：各种网管协议和软件、系统管理软件 服务系统：各种业务支撑系统BSS、OBSS、客户 管理系统CRM等。 通信网协议的制定机构是国际电联ITUT； 近来由于互联网越来越用于通信，因此互联网协 议的制定和批准机构IETF（互联网工程任务组）在 网络和通信中越来越显示出更大的力量。 Date35 4、充分利用资源的通信技术 频分复用FDM、频分多址FDMA：传输使 用的频道分割成多个子频道，供不同用户 使用。 时分复用TDM、时分多址TDMA：传输使 用的时间分割成多个时隙，供不同用户使 用。 码分复用CDM、码分多址CDMA：多个码 分信道供享载频频道的多址连接方式。 波分复用WDM、波分多址WDMA：光纤中 的不同窗口传送不同波长的激光。 正交频分复用OFDM：由并行的多分频子载 波来传输信息，低数码率传输，各分频载 波之间相互正交。 Date36 光纤巨大的传输能力 相应的传输技术DWDM密集波分复用技术允许 在一根光纤上，利用不同的波长（窗口）传输不 同的光信号。 光纤的传输能力还在不断地提高； 仅就目前的水平，光纤的传输能力已经惊人： 以单模光纤为例：其传输能力约40Gbit/S160波， 若2Mb/S为30个话路，1G约500个2Mb/S； 故1G可容纳3050015000个话路， 40G约为600000个话路，一根光纤约96000000 个 话路，或者采用MPEG2编码，若2Mb/S为一路图像 可以传送视频图象401601000/250040160 3200000路图像。 Date37 光纤巨大的传输能力 信息传输的能力： Kb/s（每秒千比特）：10E+3 Mb/s（每秒兆比特）：10E+6 Gb/s（每秒吉比特）：10E+9 Tb/s（每秒梯比特）：10E+12 Pb/s：10E+15 Date38 Date39 5、通信技术的发展方向： 5W：who(谁)，what（什么），when（ 什么），where（何处），witch（哪个） ； 8W：whence（从何处），whenever（ 无论何时），whereto（向何处）； Date40 对于通信网络的基本要求： 连接的任意性； 接通的快速性； 运行的可靠性； 信息的透明性； 质量的一致性； 方法的灵活性； 经济的合理性； Date41 二、当前通信网络的现状 1、固定电话网的网络组织及发展 电话交换网络的形成 电话与交换 本地电话与长途电话 公众电话交换网络PSTN Date42 Date43 公众电话网固定电话网 全国电话网（含固定、移动电话）分为三级 交换网络： 全国8大枢纽（北京、沈阳、西安、成 都、武汉、广州、南京、上海）为一级转 接中心C1，不过，除京、沪、穗以外，其 余的C1局的地位和作用已经大大降低； 每省的省会为二级转接中心C2； 地级市和地区为三级转接中心C3，其所 辖范围称为“本地网”，使用同一个长途区 号； Date44 公众电话网PSTN 一级中心局之间互相相连： 例如：北京、上海、南京、沈阳、西安、武 汉、成都、广州之间均有长途光缆信道相 连； 一级中心局至附近的省会局互连： 例如：上海、南京均与附近的杭州、合肥、 南昌、济南、福州之间有长途光缆相连； 各省会城市与省辖市、地区之间有省内的 长途光缆相连； Date45 图2 电话网的等级结构Date46 公众电话网PSTN 各省辖市之间有省内的骨干网相连； 按照我国电信运营体制，省辖市、地区之 内通话为市话，之间为长途； 长途电话的识别： 国际长途字冠为00，国家代号为13位数 字； 国内长途字冠为0，地区长途代号为23 位 数字； Date47 公众电话网PSTN 例如：北京， 国际上008610； 国内拨 010； 香港：00852，澳门：00853，台湾：0088 日本：0081， 美、加：001， 英国：0044 德国：0049， 法国：0033， 俄罗斯：007 市话和移动用户，凡是0开头的电话，将直接送 长途局； 移动电话为识别地区，规定固话拨非本地区的 移动电话时，需加拨0；移动电话之间通信不必 加0； Date48 长途电话 目前我国的长途电话以C3局（地、市 ）为中心，设1个或多个长途局，电话终 端通过市话端局、中心局接入长途局，按 照路由接通长途电路； 经过长途电路到达对方以后，由长途 局、中心局，至端局，最后到达被叫用户 终端。 Date49 电话号码的两种形式 1、长途区号电话号码，例如： 01066213456；02583492205； 前面还可以加上国家号， 如中国是00861066213456； 2、营运商号段长途区号电话号码，例如：18901500001； 好处是可以区分营运商；目前在中国大陆： 130132；156、185、186 中国联通GSM； 134139；188； 中国移动GSM； 133、153、189； 中国电信CDMA； Date50 Date51 Date52 图2 电话网的等级结构Date53 Date54 电话网 省辖市（地级市）内各县之间，光缆相连 ； 大城市的中心局按照地域设置，中心局之 间互连； 中心局之下为汇接局或端局，相互之间光 缆相连； 市话用户的通信：主叫用户端局（可 能经中心局）端局被叫用户； Date55 端局：面向和连接用户的电话局 模块局：端局的一部分，通常设在稍远处 汇接局：连接若干个端局的电话局 中心局：地区中心具有核心地位的电话局 长途局：面向长途干线的电话局 关口局：与其它营运商网络连接的电话、数据局 市话网：传输市内电话的网络 长途网：传输长途电话的网络 IP网络：以IP分组的形式传输信息的网络 互联网：专指Internet（因特网） 用户线：联结用户和电话局的馈线； 中继线：各类电话局交换机之间的连线Date56 Date57 Date58 IP电话网络： 传统的电话网是通过电路交换网传 送电话信号，采用的是电路交换技术。 IP电话是通过分组交换网传送电话信 号，采用的是分组交换技术，同时在话音 信号传输前，采用了话音信号的压缩编码 技术。 Date59 传统电话网一般采用的A律13折线PCM编 码技术，一路电话的编码速率为64kbit/s，或 者采用律15折线编码方法，编码速率为 52kbit/s或者更低，IP电话采用的编码技术节 省了带宽资源。 整个IP电话网络由网关、网守(也称网闸)、 电话网管中心等组成。 IP电话与普通电话分别在不同的网络传 输，但是相互之间可以互连互通，互相拨 叫。 Date60 IP电话的基本过程 1、语音的数字化 l如果用户使用的是计算机，数字化在计算机内进行 ； l如果用户使用的是模拟电话，则通过接入网络将语 音传到交换设备上，然后再利用PCM之类的设备来 对语音进行数字化。 2、数据压缩 主要用来剔除无用的信号，并对数字化后面的语音 信号进行压缩。这一步又分两个阶段： l系统分析数字化后的信号，丢掉噪声和语音间隙信 号； l由CODEC(编解码器)用相关算法将去掉无用信号 后的语音数字信号进行压缩及编码。 Date61 IP电话的基本过程 3、数据打包 数据被压缩后，需要对其进行打包并加进一些协 议信息。语音数据的处理过程(压缩、编码、缓冲等 )会产生一定的时延，协议信息加入包中是为了更好 地保障数据的传输过程。 4、解包及解压缩 数据包到达目的地主机(网关、服务器或用户计算 机终端)后，主机要完成的工作是： l校验数据包正确性； l将数据包放入抖动存储器里缓冲一段时间，等待 足够的后达到的包并将其组装成原始数据包(等待时 间的长短要根据网络的拥塞情况而定)。 l用解压缩算法尽量恢复原始信号数据。 Date62 IP电话系统的组成 电信级IP电话系统一般由IP电话终端、 网关(Gateway)、网闸(Gatekeeper)、网 管系统、认证计费系统等几部分组成。 Date63 IP电话系统的组成 1、终端 IP电话终端包括传统的语音电话机、PC、IP电话机， 也可以是集语音、数据和图像于一体的多媒体业务终 端。 2、网关 完成电话数据和网络数据的互相转换。 网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为 相应的地区网关IP地址。在用户拨打IP电话时， 网关 根据电话区号数据库资料，确定对方网关的IP地址， 并完成数据打包、路由选择等工作。这些信息存放在 一个数据库中。上述呼叫处理、数字语音打包、路由 管理等功能由网关中的处理软件完成。 对于因特网未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设 置路由，由最近的网关通过长途电话网转接，实现通 信业务。 Date64 IP电话系统的组成 网关的构成 网关通常由PSTN中继接口、数字信号处理板、主 处理器、全局RAM以及以太网接口等设备组成。 lPSTN中继接口连接电话网，利用中继线(如E1或 T1)承载用户数据，主要接续呼叫信息及承载用户的 语音信息。 lDSP处理实时的语音信号压缩、DTMF信号的检测 与产生、回波消除等工作，分担主CPU的负载。 l全局RAM主要用于缓存语音信息和信令报文，便于 顺序重组发送方发送过来的语音信息，使得接收方能 够接收到连续的报文，合成连续的语音，减少了语音 抖动的现象，使接收方听到比较舒服的声音信号。 Date65 IP电话系统的组成 3、关守(网闸) 关守负责IP电话系统的统一管理、配置和维 护。除管理所有的 VoIP网关之外，还对 VoIP 网关发来的查询，以适当的 VoIP网关的 IP 地 址回答。其主要功能包括： l呼叫控制功能； l地址翻译功能； l带宽管理功能； l路由管理功能； l数据库管理和备份等。 Date66 IP电话系统的组成 1) 呼叫控制 功能 当呼叫来到 时，关守对 主叫鉴权， 并给出对端 网关的IP地 址，如图所 示： Date67 IP电话系统的组成 2) 地址解析 网关在接收完被叫号码后，把号码用ARQ（自动请 求重发）送给关守，关守在路由表中查找目的网关的 IP地址，如果目的网关不在本区域中，向上级关守或 邻近关守请求在别的区域中查找。找到目的网关后在 ACF中返回其IP地址，未找到返回ARJ。 3) 带宽管理 关守为了避免网络拥塞，可设定进行带宽管理。网 关在ARQ中填入所需的带宽，关守若判断带宽资源不 足，就拒绝呼叫。由于呼叫所需的带宽取决于语音编 码的类别、是否采取静音、每个包带几帧数据等，因 此，在ARQ中的带宽应按最大需求申请，在通话开始 时，再实时修改所需带宽。 Date68 IP电话系统的组成 4) 路由管理 路由管理的目的：提高网络的可靠性和接通率，对 话务流量进行分配。 在路由表中，每个区号可以对应多个路由，路由具 有优先级，选路时先选高优先级路由，如果高优先 级路由拥塞或不可达，再选低优先级的路由。当呼 叫跨区域时，双方的关守可以直接建立联系，也可 以通过上级关守联系，还可以通过别的同级关守联 系，方式灵活，保证系统的灵活配置和网络的可靠 性。具有相同区号和路由特性的网关可以组成网关 组，选路时可以针对网关，也可以针对网关组。对 某一网关组选路时，可以按每个网关的优先级，也 可以按百分比在网关间进行流量分配。为了在某些 情况下能与既不在本关守的控制下，也无法与其关 守通信的网关互通，路由还可设为“独立网关”，直 接与之通信。 Date69 IP电话系统的组成 5) 数据库管理 IP电话系统包含的数据来源有： l系统初始化信息； l网络结构信息 l网关配置信息； l网络拓扑信息； l用户详细信息； l呼叫记录信息等。 关守必须采用合适的数据库管理系统对这些数据进 行管理。在具有多关守的系统中，数据库管理还应 该提供在各个关守服务器之间的复制、备份和同步 功能。 Date70 IP电话系统的组成 4、网管系统 网管系统的功能是管理整个IP电话系统 ，包括设备的控制及配置、数据配给、拨 号方案管理及负载均衡、远程监控、鉴权 及安全管理等。 Date71 IP电话系统的组成 5、认证计费系统 关守提供标准、开放的数据接口，将呼叫的详细 记录送达计费系统，形成原始计费数据。利用这些 数据可以实现： l自动生成记账清单； l数据的导出/导入； l呼叫的重新计算； l呼叫记录浏览； l用户资料上载； l自动生成新用户等。 认证计费系统可以由IP电话系统制造商提供，也 可以由第三方制作，但此时需IP电话系统制造商提 供其软件数据接口。Date72 IP电话与传统电话的比较 IP电话电话传统电话传统电话 传输传输 媒体InternetPSTN 交换换方式分组组交换换电电路交换换 带宽带宽 利用率高低 使用费费低高 话话音质质量低高 Date73 图3 IP电话网的构成 Date74 (1)用户A用特定号码拨入，接通网关 A并提供PIN码和被叫电话号码。网关A 向它的本地网守发送服务请求，同时提 供用户信息、服务类型和服务信息，其 中包括被叫电话号码。网守对这个用户 信息提供验证，然后返回信息表示允许 接入或拒绝接入。 Date75 (2)如果允许用户接入，网守将发 送一个信息到授权、认证及计费平台 （即AAA平台），平台可以在网守内 ， 也可以是一个独立的平台。AAA平台 再 次验证后，开始对用户进行计费。 Date76 (3)网守通过对它本身数据库的查找（网 守 有电话号码和相对应网关的对照表），决 定 被叫号码所对应的网络和路由，如果没有 该 电话号码和网关的对照表，它将向上一级 网 守C提出请求，直到返回被叫号码所对应的 网关。也有可能被叫号码的地方没有网关 ， 没有开通服务，网守就会返回号码错误不 能 解析。 Date77 (4)然后网关A与网关B建立了一条对话通 道，网关B再呼叫电话用户B，这样用户A 与 用户B的对话开始。 Date78 互联网电话（因特网电话） 与IP电话不同，虽然互联网电话也是IP分组的， 但 是通过因特网（互联网）传送的电话，通常称为 互 联网电话，也称即时通信，它有四种形式： 计算机计算机 PCPC; 计算机电话 PCPhone； 电话计算机 PhonePC； 电话电话 PhonePhone； 注意：这里的Phone是指电信网上的电话。 Date79 互联网电话的发展 互联网电话的四种方式 PC到PC； 以多媒体技术为基础，利用IP地址进行呼 叫，通过语音压缩、打包传送方式，实现 Internet上PC机之间的实时话音传送。话音压 缩、编解码和压/解包均通过PC上的处理器、 声卡、网卡等硬件资源完成，这种方式只能限 定在因特网内的上网人群使用，不能作为公共 电话服务的手段推广。 Date80 IP电话发展简史 PC到电话及电话到PC； 由网关来完成IP地址和电话号码的对应和 翻译，以及话音编解码和打包。呼叫一方的计 算机须接入网络，另一方使用普通的电话机。 IP电话网关服务器负责用户鉴权、语音处理、 接续控制、计费等工作。 使用此业务通常需预付一定的费用或提供 信用卡号码。 Date81 IP电话发展简史 电话到电话（经互联网） IP电话网关服务器一端与Internet相连，另一端 与当地的公用电话网相连。用户只需拨一个特殊电话 号码(接入号)即可连到服务器，经过身份验证后，直 接输入对方的电话号码。服务器收到被叫号码后，通 过Internet与被叫方当地的相关服务器建立连接。对 方服务器收到呼叫后立刻连通本地被叫电话号码。 这种方式使用最简便、最易为用户接受，技术背 景最复杂。 Date82 通信网技术应用的几个小例 子 目前，公众普通电话网、智能电话网、移动电话 网、IP电话网、互联网电话都已经互连互通，信 号 可以畅通无阻，业务丰富多彩： 手机休息站 灵通伴侣（非呼叫转移） 超级无绳（一号双机） FMC（移动与固定网融合：统一号码、号码携 带、呼叫、接听） 彩铃（被叫向主叫提供的振铃的音乐） 号码任意显示 拨号应答服务（如不在服务区，改号通知等） Date83 讨论和争鸣 关于长途电话的资费，阚凯力：长途通话 费0.01元/分钟也有10倍利润； 关于移动电话的漫游,阚凯力：移动电话的 漫游只是传送几个字节的信息； Date84 Date85 2、移动电话网 第一代：模拟话音通信；频分复用；已淘汰。 第二代：数字移动通信；两种制式：GSM（频 分复用时分）、CDMA（码分复用时分） 。 第三代：指能够满足ITU IMT-2000无线接口技术 规范（M.1457）要求的移动通信系统，其要 求是： 1、全球范围高度的兼容性，无线接口具有高度 共同性； 2、支持高质量的多种业务，与固定网兼容； Date86 移动电话网 3、手机具全球漫游能力； 4、全球使用同一频率； IMT2000于2000年5月举行的ITU R2000年会上通过。 IMT2000规范包括CDMA（码分多址）、 TDMA（时分多址）两大类共5种技术。 其中CDMA为主流技术。 Date87 移动通信的基本技术 多址技术：多个用户接入同一公共传输媒质实 现相互之间通信时，需给每个用户的信号赋予 不同的特征，以区分不同的用户，称为多址技 术； 多址技术的实现，有不同的方法，如: 空分多址（SDMA）; 频分多址（FDMA）; 时分多址（TDMA）; 码分多址（CDMA）等，移动通信中目前主要 是使用FDMA、TDMA、CDMA及其组合。 Date88 移动通信的基本技术 频分多址（FDMA） FDMA是把使用的频带划分成若干较窄的、 频域上互不重叠的频带，每个频带就是一 个通信信道，供一个用户在接入时使用。 频分技术依靠带通滤波器实现，要求较高 ，其技术与固定电话网中的技术类似。 目前在2G和3G中，已经不单独使用 FDMA技术，而是与其它多址技术结合使 用。 Date89 移动通信的基本技术 时分多址（TDMA） TDMA是把时间分成周期性的帧，每一帧再 分成若干时隙，各用户依照指定的时隙通 话。时分复用技术在固定电话网中也多使 用。 可以把FDMA技术和TDMA技术结合起来 ，如GSM系统。 Date90 移动通信的基本技术 码分多址（CDMA） 码分多址（CDMA）用户使用相同的频率 ，但是依靠不同的码片序列加以处理，形 成不同的信息码，接收时再根据码片序列 加以检出。 Date91 第二代移动通信 GSM (Global System for Mobile Commnication)：欧洲为主，亚洲 等国家应用，是目前最大的移动通信网络 。 CDMA（Code Division Multiple Access ）：美国、亚洲的一些国家开通。 Date92 GSM: 基站的25MHz带宽分为124个频道（双 工），频道之间的间隔为200KHz，每一频道由8 个 用户共享。因此这是一种FDD+TDD的模式。 即每一用户仅仅使用一个频道的一个时隙通话。 所 以，信号的发送和接收都是突发的，不是连续的 。 每个系统的容量为1248992用户。 Date93 频率分配： 上行：890915MHz（手机基站） 中国移动：903909MHz 中国联通：909915MHz 下行：935960MHz（基站手机） 中国移动：948954MHz 中国联通：954960MHz 码分多址CDMA（Code Divition Multiplex Access）；由中国联通开通运营，目前已 出售给中国电信经营。 Date94 由于用户的扩大，900MHz频率的用 户已经不能满足需要，所以又增加了 1800MHz和2400MHz的频段。 Date95 蜂窝移动通信系统： 图4 蜂窝移动通信系统图 Date96 MSC：移动通信交换中心 BS：基站 图5 GSM移动通信系统的组成 Date97 交换分系统包括： 移动交换中心（MSC）、 归属（本地用户）位置寄存器（HLR）、 被访（外来用户）位置寄存器（VLR）、 设备维护中心（EIR）、 鉴权中心（AC）和运行维护中心（OMC） 等基本组成部分。 它是移动通信系统的控制交换中心，又是 与 公众通信网的接口。 Date98 移动交换中心MSC即移动交换机，负责交换 移动台（即终端MS）所发的各种类型的呼叫， 如本地呼叫、长途呼叫和国际呼叫，提供连接 维护管理中心的接口，还可以通过标准接口与 基站（BS，或称为基地台）和其它MSC相连。 Date99 基站分系统包括一个基站控制器（ BSC）和由其控制的若干个基站收发信系 统（BTS）。BSC单元用来与MSC进行 数 据通信，与MS在无线信道上进行数据传输 。 Date100 图6 TACS基站设备配置 Date101 图7 移动通信收发信机方框图 Date102 图8 900MHz蜂窝式移动电话本地网的网路结构 Date103 图9 采用同频中继器的 900MHz蜂窝式移动电话网网路结构 Date104 图10 区域联网的大中容量移动通信网结 构 Date105 图11 具有用户集中器的小容量移动电话网网路结构 Date106 图12 具有移动电话交换机的 小容量移动电话网网路结 构 Date107 图13 多个长途编号区共用一个移动电话局 设专用通话电路的网路结构 Date108 图14 移动电话局在长途网结构中的位置 Date109 图15 移动通信网的组成 Date110 图16 移动电话网与固定电话网之间的关系Date111 蜂窝小区的设计和形成： 小区的形状： 小区形状应该是规则结构。如果基站使用全 向 发射天线，基站覆盖区实际是一个圆。但从理论 上 来说，圆形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖区 。 正六边形小区的中心间隔最大，覆盖面积也最大 ； 且重叠区域宽度最小，重叠区域的面积最小。 Date112 图17 小区图形 Date113 对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小 区 所需的小区数最少，故所需频率组数也最少。因 此，蜂窝式移动通信系统中正六边形组网是最经 济的一种方式。 Date114 移动通信的发展： 2G 2.5G 2.75G 3G (1)GSM GPRS GPRSEDGE WCDMA 欧洲 8时隙捆绑 每时隙支持 HSDPA 8时隙/载频 速率可达 48Kb/s, 200KHz/载频间隔 115KHz 8时隙捆绑， 9.614.4Kb/S 速率可达384Kb/S (2)IS136 IS136 TDMAEDGE TDMA 两个时隙支持 200KH带宽载频 14.4Kb/S 3时隙捆绑114Kb/S 6时隙捆绑支持 8时隙捆绑384Kb/S 43Kb/S (3)IS95 CDMA1X CDMA2000 1X EV-DO CDMA2000 3X (CDMA ONE） X为1.25MHz带宽 64频道/载频 1X即11.25MHz 1.25Mb/载频 Date115 目前3G（第三代移动通信）技术发展： 五大制式，六大提案，ITUT已经通过四种国际 标 准 1)、IMT-2000 CDMA DS FDD：URTRA WCDMA 2)、IMT-2000 CDMA MC FDD：CDMA2000 3)、IMT-2000 CDMA TDD：TDSCDMA URTRA-TDD 4)、WiMAX：802.16宽带宽带 无线线接入网（2007，10 通过过） FDD：频频分双工 Wideband CDMA、 CDMA2000 TDD：时时分双工 TDSCDMA Date116 4)、 IMT-2000 TDMA SC FDD：UWC-136 5)、 IMT-2000 TDMA FT：DECT 但是，这两种制式尚未被ITU批准。 Date117 第三代移动通信 WCDMA：目前已经在欧洲、亚洲、美洲等多 个国家开通； WCDMA的核心网基于GSM/GPRS网络的演进， 保持其兼容性。基于TDM、ATM和IP技术，并 向全IP网络演进。 空中接口采用WCDMA，信号带宽5MHz，码片速 率3.84Mcps，AMR语音编码，支持同步/异步 基站运营模式。卷积码和Turbo码编码。上下行 采用QPSK（相移键控）调制方式。 Date118 第三代移动通信 CDMA2000：目前已经在拉美、亚洲的一些 国家开通； 基于IS-95标准，信号带宽N1.25MHz（N1，3 ，6，9，12）；码片速率N1.2288Mcps； 8K/13K QCELP或8K EVRC语音编码。基站为 GPS/GLONESS同步方式。 卷积码和Turbo码编码。上行BPSK，下行QPSK 调制。 Date119 移动通信的基本技术 码分多址（CDMA） 码分多址（CDMA）用户使用相同的频率 ，但是依靠不同的码片序列加以处理，形 成不同的信息码，接收时再根据码片序列 加以检出。 Date120 移动通信的基本技术 码分多址（CDMA） 各用户使用同样的频带，但是不同的码型通信。 扩频技术：时域上的脉冲信号，其宽度越窄，频 谱越宽。如果用待传送的数字信号去调制很窄 、但是频率很高的脉冲序列，可以展宽信号的 带宽，此为扩频。 PN码：CDMA系统给每个用户分配一个唯一的码 序列，称为PN码。当手机用整个唯一的PN码对 所收到的信号解码时，由于与信号中隐藏的PN 码一致，所以能够从中解出原始的调制信息。 Date121 移动通信的基本技术 具体作法是，发送端用一宽带的扩频码序列（该 码序列各用户唯一，是一个特定的地址码）与 原始信号相乘，即调制；在接收端，则只有知 道该扩频码序列的接收机才能够对该信号解扩 ，恢复原始数据，完成通信。 采用扩频技术的原因是，使得发送的已调波频谱 极大地展宽（可达几百倍），在频率、时间、 空间上都可能重叠，也大大提高了抗干扰能力 ，无须用复杂的频率分配和管理。系统容量也 很大。还可以在频率不变的情况下完成小区之 间的软切换 Date122 移动通信的基本技术 码分多址（CDMA） 扩频码序列最好采用类似白噪声的随机信号 ，各信号之间差别最大。实际上采用具有 近似白噪声特性的伪随机码（PN码）作 为扩频码，具有良好的相关性。 CDMA通信系统中采用的伪随机码有m序列 、Gold序列、Walsh函数等。 Date123 移动通信的基本技术 CDMA 码分多址（CDMA） 扩频通信的原理和的目的： 由于调制技术的发展，数据传输的速度很快， 因此在CDMA中，可以把传输每一个bit的时间 ，再划分成m个短的间隔，其中每一个间隔称为 一个码片（chip），供一个用户使用。通常m 的数值是64、128或更大。使用CDMA的每一个 终端被分配一个唯一的m bit的“ 码片序列”（ chip sequence）。 Date124 移动通信的基本技术 CDMA 扩频通信 CDMA的每一个用户被分配一个唯一的m bit的“ 码片序列”，并且规定，用户如果发送比特1， 就发该用户的“码片序列”，如果发0，则发其“ 码片序列”的反码。 例如：用户“码片序列”是00011011，则： 用户发1时，实际发的数据序列是0001 1011 用户发0时，实际发的数据系列是1110 0100 Date125 移动通信的基本技术 CDMA 假定有128个用户进行CDMA通信，则 128个用户分别使用： 0000 0000、 0000 0001、 .0111 1111 作为自己的码片序列进行CDMA通信; 用户0000 0000 在发0时，实际发0000 0000 发1时，实际发1111 1111 用户0111 1111在发0时，实际发0111 1111 发1时，实际发1000 0000 Date126 移动通信的基本技术 CDMA 这样，移动通信的基站和用户在互相通信时， 每发一个bit的信息，实际需要发的数据量变成 m bit，即扩大了m倍。因此，基站和用户的频 带宽度也提高了m倍。俗称为扩频。 由于一个系统中的用户很多，在CDMA 中，某 一个小区的频率都是相同的。因此每一个用户 的“码片序列”不仅不能相同，与其它用户的“码 片序列” 也决不能通过某种方法产生，才能使得各个移 动通信的用户 之间互不干扰。 Date127 移动通信的基本技术 CDMA 在数学上，伪随机数是无法预测产生的。 正交函数中的正交向量就有这样的性质。 正交向量的特点： 某一个向量与自身的内积为1； 某一个向量与自身的反码的内积为-1； 某一个向量与任何一个其它的向量（或 其反码）的内积均为0；（其它向量应该 理解为其它用户的码片） Date128 移动通信的基本技术 CDMA 由上所述，根据“正交”的特性，在移动通信系 统中，每一个用户被分配一个“码片序列”向量 时，它应拥有这样的特性： 任何一个码片向量与该码片向量自己的规格化 内 积为1； 任何一个码片向量与该码片反码的向量的规格 化 内积为-1； 一个码片向量与任何一个另外的用户的码片向 量或其反码的规格化内积为0； Date129 移动通信的基本技术 CDMA PN码：CDMA系统给每个用户分配的一 个唯一的码序列，称为PN码。当手机用 这个唯一的PN码对所收到的信号解码时 ，由于与信号中隐藏的PN码一致，所以 能够从中解出原始的调制信息。 但是其它任何用户则无法解出其调制的信 息。 CDMA移动通信系统为某一个用户分配的 码片序列即PN码，属于“伪随机码序列” 。 Date130 移动通信的基本技术 CDMA 扩频通信的特性取决于所采用的编码序列的码 型和速率； 采用扩频通信的好处： 1、频率利用率高。由于在一个频带范围内，用户 不是在频率上、时间上分割使用，而是各自使 用不同的“码序列”，因此只要找到数学特性好 的码序列，加上较高的数字传输的速度，在一 个频带内，可以容纳更多的用户，这对于充分 利用有限、宝贵的频率资源，意义是非常大的 。 Date131 移动通信的基本技术 CDMA 采用扩频通信的好处： 2、由于频率利用率高，因此，在相同的带 宽下，系统容纳的用户多，大约是GSM的 45倍。或者说要提供相同的用户量的系 统，所需要的基站数量少，大大降低网络 建设的成本。 3、抗干扰性极强。因为只有用户自身的码 序列才能发送和接收，其它用户的码序列 和无关的信号一概被过滤，不会形成干扰 。 Date132 移动通信的基本技术 CDMA 采用扩频通信的好处： 4、采用伪随机码，其频谱类似于白噪声， 难以识别、伪造、并机。 5、由于采用扩频技