通信工程专业及其产业背景.doc

通信工程专业及其产业背景本文由黄金分割0507贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 通信工程专业及其产业背景 班级： 作者： 2010 年 8 月 20 日 摘要 本文以时间为脉络主要介绍了通信工程专业及其产业的发展历程， 从原始的 通信手段开始，介绍了第一代模拟通信、第二代数字通信技术的发展变化以致最 终通信网的形成过程。其间，有通信工程专业一些理论知识的发现，还有随之而 来的通信工程产业的发展。然后，又着重介绍了现代通信网的组成、分类、主要 性能评价指标等知识。随后，又简单介绍了通信工程领域里的几项新技术，有第 三代移动通信技术（3G） ，物联网，三网融合，下一代网络（NGN）等，以及互联 网的新协议 IPV6。最后，再对通信工程专业及其产业的未来做了一个展望。 关键词：模拟通信，数字通信，通信网，通信新技术 关键词 Abstract This paper introduces the communication engineering and its industry development in the history process by the context of time, and introducing from the original means of communication, it presented the first generation of analog communication 、the changes in Second-generation digital communication technology to the formation of communication networks. In the meantime, there are some discoveries on theoretical knowledge of communication engineering, there followed the development of communications engineering industry. Then, it focuses on some knowledge on modern communication networks, such as, composition, classification and the main performance evaluation. Later, a brief introduction to new technology on several areas of communications engineering is presented, including the third generation mobile communication technology (3G), Internet of things, Triple play, Next-generation Network (NGN) and so on, as well as the new Internet Protocol called as IPV6. Finally, this paper made a prospect on communications engineering and the future of its industry. Keywords: Keywords analog communication ，digital communications ，network of communication ，new techniques of communication 一、引言 本文写于我们大学的第二学年末，即将进入第三学年的学习之时，经过前两 年的普通类课程及部分专业基础课的学习， 以及自己这两年对通信工程专业及其 产业知识的搜集了解，我们通过本文呈现出自己对本专业及其产业背景的认识， 本文主要介绍了通信工程专业的各个发展阶段， 重点按通信系统的组成来概括地 介绍通信工程专业及其产业的发展现状及其背景， 最后简略而大胆的阐述了通信 工程专业及其产业的未来发展趋势及个人的看法，限于个人知识和认知的程度， 文中难免有所失误，望斧正。 背景， 对人物、 事件等起作用的历史情况或现实环境， 对事态的发生、 发展、 变化起重要作用的客观情况。所谓通信工程专业发展及其背景，就是对通信工程 专业及其产生产、发展、变化等起到重要作用的历史状况或客观情况。 二、通信工程专业及其产业发展历程 自有人类以来，就离不开信息的传递。通信是人与人或人与自然这三者之间 通过某种方式及媒介进行的信息交流，在古代，人们通过烽火传递军情预警、通 过驿站间快马接力传递文件战报，通过信鸽传递机密文件等等，其信息的传递方 式虽然各有不同，但都是古代人们实现通信的手段。随着近代工业、商业等产业 的发展，原始的通信手段不能满足日益增长的需求，通信手段亟待发展。随着社 会分工的细化，以及通信领域内各项理论的逐渐揭示，通信渐渐成为一个专业， 伴随而来的是通信产业的形成和发展。 第一代：电通信时代，及模拟通信时代。 19 世纪，随着科学技术的迅猛发展，人们发现了电能以光速沿导线传播。 1837 年莫尔斯发明了莫尔斯电码，并制造出电报机；1844 年由莫尔斯设计修建 的从尔的摩到华盛顿的世界上第一电报线路修建成功并投入运营；1854 年，英 军第一次在战争中采用了电报，海底电报于 1851 年开始于多佛和加莱之间，然 后发展到一方面用于伦敦和巴黎之间的远距离电报通讯， 另一方面则用于协约国 克里米亚战争的瓦诺基地，由此，世界上第一个电报通信网建成；1864 年，麦 克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1887 年赫兹从实验上验证了电磁波的存 在，马可尼、波波夫等人用电磁波实现了远距离通信试验，由此，由有线电话， 电报和无线电台等通信方式的模拟通信时代到来。 再加上 20 世纪 30 年代尤其是 50 年代后，随着香农信息论，纠错编码理论， 调制理论，信号检测理论，信号与噪声理论，信源统计特性理论等通信专业理论 的研究与发展，通信专业有了长足的发展，伴随而来的就是通信产业的如雨后春 笋一般的出现，有限电报网的铺设，有线电话网的铺设，无线电台的建设，都需 要从通信设备的设计与制造企业到通信网线路的铺设等工程施工企业， 还需要为 广大公众服务的运营商， 一级监督工程公司施工一级通信设备运营状况的监理公 司，自此通信产业及其服务日趋完善。 模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示） 。时间上连续 的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一 种抽样信号。模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。 模拟 通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就 容易得到通信内容.电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部 的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越 长，噪声的积累也就越多。 第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制 定于上世纪 80 年代。 Nordic 移动电话 （NMT） 就是这样一种标准， 应用于 Nordic 国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS） ，英国的 总访问通信系统 （TACS） 以及日本的 JTAGS， 西德的 C-Netz， 法国的 Radiocom 2000 和意大利的 RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰 。 第二代 ：数字通信时代 随着现代科技的发展，晶体管，半导体集成电路相继问世。1951 年英国建 立了 100 个中继站的微波接力通信线路；20 世纪 60 年代，基于脉冲编码调制 （PCM）的数字传输体系开始建立；1965 年美国 ATT 公司建立了一个程控本地 交换系统；再加上脉码通信，微波通信，卫星通信，光缆通信等通信手段的产生 一级计算机的问世并将微机应用在管理控制领域中， 自此通信对象从人与人扩展 到人与机器，机器与机器之间。 20 世纪 7080 年代，是通信迅猛发展的时期。1960 年，美国人梅曼发明了 第一台红宝石激光器，给光通信带来了希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度 窄，主向性极好以及频率和相位较一致的良好特性，激光是一种相干光，它的特 性和无线电波相似，是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦氖激光器、 二氧化碳激光器先后出现并投入实际应用； 1966 年分组交换实验网-ARPA 网开始 建设，并于 1971 年投入试验运行；1970 年美国康宁公司研制成功涂有二氧化硅 的光导纤维材料，并将损耗降低到 20db/km；1972 年康宁公司高纯石英多模光纤 损耗降低到 4db/km;1973 年美国贝尔实验室取得了更大成绩，光损耗降低到 2.5db/km，1976 年，日本电报电话公司将光纤损耗降低到 0.47 db/km；1979 年 损耗降低到 0.2 db/km，1984 年事 0.157 db/km；1986 年是 0.154 db/km，接近 了光纤最低损耗的理论极限。 随着非语言内容的增加，大容量光纤传输以及数字微波系统的形成，通信自 此进入了数字通信时代，数字通信体制相比于模拟通信体制，其抗干扰能力强， 便于计算机处理，高安性加密，很好满足了现代通信自动控制的要求，它是通过 自动交换、数字传输体系以及卫星通信等共同作用来实现的综合通信网。 三、现代通信系统 现代通信系统 通信系统 基本的点对点通信，均是把发送端的消息通过某种信道传到接收端。因而， 这种通信系统可由图 1-1 中模型加以概括。 图中， 在发送端信息源 （也称发终端） 的作用是把各种可能消息转换成原始电信号。 为了使这个原始信号适合在信道中 传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道。信道是指信号传 输的通道。在接受端，接收设备的功能与发送设备的功能相反，它能从接收信号 中恢复出相应的原始信号，而受信者（也称信息宿或收终端）是将复原的原始信 号转换成相应的消息。 途中的噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处 的噪声集中表示。 图 1-1 通信系统的一种简化模型 通信系统有不同分类方法。这里从通信系统模型的角度讨论分类。 1. 按消息的物理特征分类 根据消息的物理特征的不同，通信系统可以分类为电报通信系统、电话通信 系统、数据通信系统、图像通信系统等。由于电话通信系统网最为普及，因而其 他消息常常通过公共的电话通信网传送。 例如， 电报常通过电话信道传送。 又如， 随着电子计算机发展而迅速增长起来的数据通信， 在远距离传输数据时也常常利 用电话信道传送。在综合业务通信网中，各类类型的消息都在统一的通信网中转 送。 2. 按调制方式分类 前面已经指出，根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调 制）传输。基带传输时将未经频带调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带 传输是对各种信号调制后传输的总称。 调制方式很多， 常见的一些如表 1-1 所例。 表 1-1 常用调制方式及用途 调 制 方 式 广播 用 途 举 例 常规双边带调幅 AM 单边带调制 SSB 线性调制 双边带调制 DSB 载 波 调 非线性调制 制 残留边带调制 VSB 频率调制 FM 相位调制 PM 振幅键控 ASK 频移键控 FSK 数字调制 相位键控 PSK、DPSK 载波通信、短波或者无线电话 通信 立体声广播 电视广播、传真 微波中继、卫星通信 中间调制方式 数据传输 数据传输 数据传输 其他高效数字调制 QAM、 MSK 数字微波、空间通信 脉幅调制 PAM 脉 冲 模 拟 调 脉宽调制 PDM 脉 制 冲 调 脉位调制 PPM 脉码调制 PCM 增量调制 DM（M） 制 中间调制方式、遥测 中间调制方式 遥测、光纤传输 市话中继线、卫星、空间通信 军用电话、民用数字电话 电视电话、图像编码 中途数字电话 制 脉 冲 数 字 调 差分脉码调制 DPCM 其他编码方式 ADPCM 3. 按信号特征分类 前面已经指出，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以将相应 地把通信系统分成模拟通信系统与数字通信系统。 4. 按传输媒介分类 按传输媒介，通信系统可分为有限（包括光纤）和无线两类。 5. 按信号复用方式分类 传送多路信号有三种复用方式，即频分复用，时分复用和码分复用。频分复 用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围； 时分复用是用抽样或者 脉冲调制方法使不同信号占据不同的时间区码； 码分复用则是一组包含互相正交 的码字的码组携带多路信号。 主要性能指标： 1、对于模拟通信系统来说，信息传输速度主要决定与消息所含的信息量和 对连续消息 （即信息源） 的处理。 处理的目的在于使单位时间内传送更多的消息， 从信息论观点来说，消息传输速度可用单位时间内传送的信息量来衡量。模拟通 信中还有一个重要性能指标，即均方误差。它是衡量发送的模拟信号与接收端复 制的模拟信号之间误差程度的质量指标。 均方误差越小， 说明复制的信号越逼真。 2、在数字通信系统里，主要的性能指标有两个，即传输速率和差错率。 （1）传输速率，它通常以码元传输速率来衡量。码元传输速率，又称码元速 率或传码率。 它被定义为每秒钟传送码元的数目， 单位为 “波特”。 ， 常用符号 “B” 表示。 Rb 2 = RBN log 2 N ( B) 传输速率还可用信息传输速率来表征。信息传输速率又称为信息速率或传 输率。它被定义为每秒钟传送的信息量，单位完事比特/秒，或记为 bit/s(或可 写成 bps)。 Rb = RBN log 2 N (bit / s ) （2）现在来讨论数字通信的另一性能指标差错率。它是衡量系统正常 工作时，传输消息可靠程度的重要性能指标。差错率有两种表述方式：误码率及 误信率。 所谓误码率，是指错误接受的码元数在传送总码元数中占的比例，或者更确 切的说，误码率即码元在传输系统中被传错的概率。 所谓误信率， 又称误比特率， 是指错误接受的消息量在传送总量中所占比例， 或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。 四、通信新技术 1、物联网（The Internet of things）的定义是：通过射频识别（RFID） 、 红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任 何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟 踪、 监控和管理的一种网络。 物联网的概念是在 1999 年提出的。 物联网就是 “物 物相连的互联网” 。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网， 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物 品与物品之间，进行信息交换和通讯。 物联网是在计算机互联网的基础上，利用 RFID、无线数据通信等技术，构 造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things” 。在这个网络中，物品(商 品)能够彼此进行“交流” ，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID) 技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。物联 网中非常重要的技术是射频识别（RFID）技术。 “物联网”概念的问世,打破了之 前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和 IT 基础设施分开：一方面 是机场、公路、建筑物,而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在“物 联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意 义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包 括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。 2、所谓“三网融合”，就是指电信网、广播电视网和计算机通信网的相 互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。 “三网融合” 是为了实现网络资源的共享， 避免低水平的重复建设， 形成适应性广、 容易维护、 费用低的高速宽带的多媒体基础平台。三网融合是一种广义的、社会化的说法， 在现阶段它是指在信息传递中，把广播传输中的“点”对“面” ，通信传输中的 “点”对“点” ，计算机中的存储时移融合在一起，更好为人类服务，并不意味 着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而三网融合主要是指高 层业务应用的融合。其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形 成无缝覆盖，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的 IP 协议，在 经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的 同一目标逐渐交汇在一起，行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。 3、第三代移动通信技术（3rd-generation，3G） ，是指支持高速数据传输 的蜂窝移动通讯技术。3G 服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百 kbps 以上。目前 3G 存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。3G 与 2G 的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更 好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页 浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的 良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度， 也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少 2Mbps(兆比特/每秒)、 384kbps(千比特/每秒)以及 144kbps 的传输速度 （此数值根据网络环境会发生变 化)。GSM 设备采用的是时分多址，而 CDMA 使用码分扩频技术，先进功率和话音 激活至少可提供大于 3 倍 GSM 网络容量，,3G 主要特征是可提供移动宽带多媒体 业务。 4、IPv6是 IETF（互联网工程任务组，Internet Engineering Task Force） 设计的用于替代现行版本 IP 协议（IPv4）的下一代 IP 协议。目前我们使用的第 二代互联网 IPv4 技术，核心技术属于美国。它的最大问题是网络地址资源有限， 从理论上讲，编址 1600 万个网络、40 亿台主机。但采用 A、B、C 三类编址方式 后，可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣，以至目前的 IP 地址近乎枯竭。 一方面是地址资源数量的限制，另一方面是随着电子技术及网络技术的发展，计 算机网络将进入人们的日常生活，可能身边的每一样东西都需要连入全球因特 网。在这样的环境下，IPv6 应运而生。单从数字上来说，IPv6 所拥有的地址容 量是 IPv4 的约 81028 倍，达到 2128-1 个。这不但解决了网络地址资源数量 的问题， 同时也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。 但 是与 IPv4 一样，IPv6 一样会造成大量的 IP 地址浪费。准确的说，使用 IPv6 的 网络并没有 2128-1 个能充分利用的地址。首先，要实现 IP 地址的自动配置， 局域网所使用的子网的前缀必须等于 64，但是很少有一个局域网能容纳 264 个 网络终端；其次，由于 IPv6 的地址分配必须遵循聚类的原则，地址的浪费在所 难免。但是，如果说 IPv4 实现的只是人机对话，而 IPv6 则扩展到任意事物之间 的对话，它不仅可以为人类服务，还将服务于众多硬件设备，如家用电器、传感 器、远程照相机、汽车等，它将是无时不在，无处不在的深入社会每个角落的真 正的宽带网。而且它所带来的经济效益将非常巨大。当然，IPv6 并非十全十美、 一劳永逸，不可能解决所有问题。IPv6 只能在发展中不断完善，也不可能在一 夜之间发生，过渡需要时间和成本，但从长远看，IPv6 有利于互联网的持续和 长久发展。 目前，国际互联网组织已经决定成立两个专门工作组，制定相应的 国际标准。 5、下一代网络（Next Generation Network） ，又称为次世代网络。主要 思想是在一个统一的网络平台上以统一管理的方式提供多媒体业务， 整合现有的 市内固定电话、移动电话的基础上（统称 FMC） ，增加多媒体数据服务及其他增 值型服务。其中话音的交换将采用软交换技术，而平台的主要实现方式为 IP 技 术，逐步实现统一通信,其中 VoIP 将是下一代网络中的一个重点。NGN 是一个分 组网络，它提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种带宽和具有 QoS 能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离；它允许用户对不同业务 提供商网络的自由接入，并支持通用移动性，实现用户对业务使用的一致性和统 一性。它是以软交换为核心的，能够提供包括语音、数据、视频和多媒体业务的 基于分组技术的综合开放的网络架构，代表了通信网络发展的方向。NGN 具有分 组传送、 控制功能从承载、 呼叫/会话、 应用/业务中分离、 业务提供与网络分离、 提供开放接口、利用各基本的业务组成模块、提供广泛的业务和应用、端到端 QoS 和透明的传输能力通过开放的接口规范与传统网络实现互通、通用移动性、 允许用户自由地接入不同业务提供商、支持多样标志体系，融合固定与移