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现代通信技术 刘晓莉武汉大学电气工程学院 教材与参考书 教材 纪越峰等 现代通信技术 第2版 北京邮电大学出版社 2006年参考书 赵宏波卜益民陈凤娟编著 现代通信技术概论 北京邮电大学出版社 2007 8樊昌信通信原理 第5版 国防工业出版社 2003年http sna csie ndhu edu tw cnyang download htm郭梯云等 移动通信 修订版 西安电子科技大学出版社 2005年 目录 第1章绪论第2章数字通信技术第3章光纤通信技术第4章微波通信技术第5章卫星通信技术第6章无线通信技术第7章移动通信技术 第1章绪论 1 1基本概念1 2通信发展趋势 1 1基本概念 通信 指信息的传输与交换 通信的目的 传递消息中所包含的信息 消息 message 是物质或精神状态的一种反映 例如语音 文字 音乐 数据 图片或活动图像等 信息 information 是消息中包含的有效内容 实现通信的方式和手段 非电的 如旌旗 消息树 烽火台 电的 如电报 电话 广播 电视 遥控 遥测 因特网和计算机通信等 自19世纪初电通信技术问世以来 短短的100多年时间里 通信技术的发展可谓日新月异 千里眼 顺风耳 等古人的梦想不但得以实现 而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术 回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识 下面我们给出通信技术发展历史 通信发展史1844年 摩尔斯发明有线电报 1864年 麦克斯韦尔提出电磁辐射方程 1876年 贝尔发明电话 1896年 马可尼发明无线电报 1906年 发明了真空管 1918年 调幅无线电广播开播 1925年 开始采用三路明线载波电话 多路通信 1936年 调频无线电广播开播 1937年 发明脉冲编码调制原理 1938年 电视广播开播 1940 1945年 二次打战刺激了雷达和微波通信系统的发展 1948年 发明晶体管 Shannon提出了信息论 通信统计理论开始建立 1950年 时分多路通信应用于电话 1956年 敷设了越洋电缆 1957年 发射第一颗人造卫星 1958年 发射第一颗通信卫星 1960年 发明激光 1961年 发明集成电路 1962年 发射第一颗同步通信卫星 脉冲编码调制进入实用阶段 1960 1970年 彩色电视问世 阿波罗宇宙飞船登月 数字传输的理论和技术得到了迅速的发展 出现高速数字电子计算机 1970 1980年 大规模集成电路 商用卫星通信 程控数字交换机 光纤通信系统 微处理器等迅速发展 1980年以后 超大规模集成电路 长波长光纤通信系统广泛应用 综合业务数字网崛起 根据各种通信技术在通信发展史上的地位 作用以及对人类社会的影响 我们对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结 认为有10项重大通信技术值得人们纪念 1 摩尔斯发明有线电报 有线电报开创了人类信息交流的新纪元 2 马可尼发明无线电报 无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域 3 载波通信 载波通信的出现 改变了一条线路只能传送一路电话的局面 使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能 4 电视 电视极大地改变了人们的生活 使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像 5 电子计算机 计算机被公认为是20世纪最伟大的发明 它加快了各类科学技术的发展进程 6 集成电路 集成电路为各种电子设备提供了高速 微小 功能强大的 心 使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度 7 光纤通信 光导纤维的发明 使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质 8 卫星通信 卫星通信将人类带入了太空通信时代 9 蜂窝移动通信 蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有 方便快捷的通信手段 10 因特网 因特网的出现意味着信息时代的到来 使地球变成了一个没有距离的小村落 地球村 信息技术 InformationTechnology 简称IT 是以微电子和光电技术为基础 以计算机和通信技术为支撑 以信息处理技术为主体的技术系统的总称 是一门综合性的技术 电子计算机和通信技术的紧密结合 标志着数字化信息时代的到来 信息技术 本课程中 通信 这一术语是指 电通信 包括光通信 因为光也是一种电磁波 在电通信系统中 消息的传递是通过电信号来实现的 尽管在在各国通信网中 模拟通信依然存在 但无疑数字通信是目前和今后通信技术的发展方向 1 1 1通信系统的组成 通信系统的一般模型信息源 简称信源 把各种消息转换成原始电信号 如麦克风 信源可分为模拟信源和数字信源 发送设备 产生适合于在信道中传输的信号 信道 将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质 分为有线信道和无线信道两大类 噪声源 集中表示分布于通信系统中各处的噪声 接收设备 从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号 受信者 信宿 把原始电信号还原成相应的消息 如扬声器等 1 1 1通信系统的组成 通常 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号 相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统 1 1 2模拟通信系统模型和数字通信系统模型 1 模拟信号 模拟信号是指代表消息的电信号及其参数 幅度 频率或相位 是随消息连续变化的信号 其特点是幅度连续变化 而在时间上可以连续 也可以不连续 前者是连续的模拟信号 后者是离散的模拟信号 2 数字信号 数字信号是一系列的电脉冲 时间上是离散的 信号参数 幅度 也不连续变化 数字信号是指在时间上和幅度上均取有限离散数值的电信号 这类电信号常用电压或电流的脉冲代表 数字信号与模拟信号的不同点在于数字信号不直接与消息对应 3 模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统 两种变换 模拟消息 原始电信号 基带信号 基带信号 已调信号 带通信号 图 模拟通信系统模型 4 数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统信源编码与译码目的 提高信息传输的有效性完成模 数转换 信道编码与译码目的 增强抗干扰能力加密与解密目的 保证所传信息的安全数字调制与解调目的 形成适合在信道中传输的带通信号同步目的 使收发两端的信号在时间上保持步调一致 图 数字通信系统模型 5 数字通信的特点优点抗干扰能力强 且噪声不积累传输差错可控便于处理 变换 存储便于将来自不同信源的信号综合到一起传输易于集成 使通信设备微型化 重量轻易于加密处理 且保密性好缺点 需要较大的传输带宽对同步要求高 1 1 3通信系统分类与通信方式 通信系统的分类按通信业务分类 电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统 图像通信系统 按调制方式分类 基带传输系统和带通 调制 传输系统 调制传输系统又分为多种调制 如AM FM 按信号特征分类 模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类 有线通信系统和无线通信系统按工作波段分类 长波通信 中波通信 短波通信 按信号复用方式分类 频分复用 时分复用 码分复用 单工通信 消息只能单方向传输的工作方式半双工通信 通信双方都能收发消息 但不能同时收发的工作方式全双工通信 通信双方可同时进行收发消息的工作方式 通信方式 单工 半双工和全双工通信 并行传输和串行传输并行传输 将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点 节省传输时间 速度快 不需要字符同步措施缺点 需要n条通信线路 成本高 串行传输 将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点 只需一条通信信道 节省线路 缺点 速度慢 需要外加码组或字符同步措施其他分类方式 同步通信和异步通信专线通信和网通信 1 1 4通信系统主要性能指标 通信系统的主要性能指标 有效性和可靠性有效性 指传输一定信息量时所占用的信道资源 频带宽度和时间间隔 或者说是传输的 速度 问题 可靠性 指接收信息的准确程度 也就是传输的 质量 问题 模拟通信系统 有效性 用有效传输频带来度量 可靠性 用接收端最终输出信噪比来度量 数字通信系统有效性 用传输速率和频带利用率来衡量 码元传输速率RB 定义为单位时间 每秒 传送码元的数目 单位为波特 Baud 简记为B 式中T 码元的持续时间 秒 信息传输速率Rb 定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数 单位为比特 秒 简记为b s 或bps 码元速率和信息速率的关系或对于二进制数字信号 M 2 码元速率和信息速率在数量上相等 对于多进制 例如在八进制 M 8 中 若码元速率为1200B 则信息速率为3600b s 频带利用率 定义为单位带宽 1赫兹 内的传输速率 即或可靠性 常用误码率和误信率表示 误码率误信率 又称误比特率在二进制中有 有效性与可靠性 越大 b越大 有效性越好 采用多进制可以提高 b 在数字通信系统中 接收机最终输出的信号可能是数字信号也可能是模拟信号 接收机输出信噪比只适于用来描述传输模拟信号的可靠性 传输数字信号的可靠性可用误码率来表示 接收机输出的模拟信号是由数字信号经数模转换得到的 数字信号的误码率越小 所对应的模拟信号的信噪比越大 在数字通信系统中 误码率越小 可靠性越高 1 1 5信息及其度量 1 离散消息的信息量某离散消息x发生的概率为P x 则它所携带的信息量为I logap x 当a e时 信息量的单位为奈特 nit 当a 2时 信息量的单位为比特 bit 目前广泛使用的单位为bit 2 离散信源的平均信息量 设信源输出M个统计独立的符号x1 x2 xM 它们出现的概率分别为P x1 P x2 P xM 则每个符号所含信息量的统计平均值即离散信源的平均信息量为H x bit 符号 信源的平均信息量又被称为信源熵 可以证明 最大信源熵发生在信源的每个符号等概独立出现时 最大信源熵为Hmax x log2M bit 符号 信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率 在信道模型中 我们定义了两种广义信道 调制信道和编码信道 调制信道是一种连续信道 可以用连续信道的信道容量来表征 编码信道是一种离散信道 可以用离散信道的信道容量来表征 在此处 我们重点讨论连续信道的信道容量 1 离散信道的信道容量根据奈奎斯特 Nyquist 准则 带宽为 的信道 所能传送的信号最高码元速率为2B波特 Baud 因此 无噪声离散信道的信道容量为C 2Blog2L bit s 1 1 6信道容量 2 连续信道的信道容量 香农公式 带宽限制在B Hz 的连续信道 其输入信号为x t 信道加性高斯白噪声为n t 则信道输出为 y t x t n t 式中 输入信号x t 的功率为S 信道噪声n t 的功率为N n t 的均值为零 方差为 n2 其一维概率密度函数为 对于频带限制在B Hz 的输入信号 按照理想情况的抽样速率2B对信号和噪声进行抽样 将连续信号变为离散信号 此时连续信道的信道容量为 C maxI X Y RB max H X H X Y 2B max H Y H Y X 2B 当x服从高斯分布 其均值为零 方差为 2时 H X 和H Y 可获得最大熵 连续信源的相对条件熵为 因此连续信道的信道容量为C max H Y H Y X 2B 上式就是著名的香农 Shannon 信道容量公式 简称香农公式 香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时 在具有一定频带宽度的信道上 理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值 香农公式成立的条件是 信号为高斯分布 此时信源熵最大 噪声为高斯白噪声 只要传输速率小于等于信道容量 则总可以找到一种信道编码方式 实现无差错传输 若传输速率大于信道容量 则不可能实现无差错传输 若噪声n t 的单边功率谱密度为n0 则在信道带宽B内的噪声功率N n0B 因此 香农公式的另一形式为 C Blog2 由香农公式可得以下结论 增大信号功率S可以增加信道容量 若信号功率趋于无穷大 则信道容量也趋于无穷大 即 减小噪声功率N 或减小噪声功率谱密度n0 可以增加信道容量 若噪声功率趋于零 或噪声功率谱密度趋于零 则信道容量趋于无穷大 即 增大信道带宽B可以增加信道容量 但不能使信道容量无限制增大 信道带宽B趋于无穷大时 信道容量的极限值为 香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率 达到极限信息速率的通信系统称为理想通信系统 但是 香农公式只证明了理想通信系统的 存在性 却没有指出这种通信系统的实现方法 因此 理想通信系统的实现还需要我们不断努力 香农公式的应用 由香农公式可以看出 对于一定的信道容量C来说 信道带宽B 信号噪声功率比S N及传输时间三者之间可以互相转换 若增加信道带宽 可以换来信号噪声功率比的降低 反之亦然 如果信号噪声功率比不变 那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少 等等 如果信道容量C给定 互换前的带宽和信号噪声功率比分别为B1和S1 N1 互换后的带宽和信号噪声功率比分别为B2和S2 N2 则有 B1log2 1 S1 N1 B2log2 1 S2 N2 由于信道的噪声单边功率谱密度n0往往是给定的 所以上式也可写成 例如 设互换前信道带宽B1 3kHz 希望传输的信息速率为104b s 为了保证这些信息能够无误地通过信道 则要求信道容量至少要104b s才行 互换前 在3kHz带宽情况下 使得信息传输速率达到104b s 要求信噪比S1 N1 9倍 如果将带宽进行互换 设互换后的信道带宽B2 10kHz 这时 信息传输速率仍为104b s 则所需要的信噪比S2 N2 1倍 可见 信道带宽B的变化可使输出信噪功率比也变化 而保持信息传输速率不变 这种信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处 例如 在宇宙飞船与地面的通信中 飞船上的发射功率不可能做得很大 因此可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低 相反 如果信道频带比较紧张 如有线载波电话信道 这时主要考虑频带利用率 可用提高信号功率来增加信噪比 或采用多进制的方法来换取较窄的频带 前面我们讨论的是带宽和信噪比的互换 此外 带宽或信噪比与传输时间也存在着互换关系 香农公式得出的重要结论 C随S N增大而增大 当n0 0时C 即无干扰信道的信道容量为无穷大 C随着B的增大而增大 但不能无限增大 即当B 时 C 1 44 S n0 C一定时 B与 S N 可以互换 若信源信息速率Rb C 则理论上可以实现无差错传输 若Rb C 则不可能实现无差错传输 通常 把实现了极限传输速率且无差错 或差错为任意小 的通信系统 称为理想通信系统 例1 一个四进制无噪声数字信道 带宽为3000Hz 求该信道的信道容量 解 C 2Blog2L 2 3000 log24 12000bit s 例2 黑白电视图像每帧含有3 105个像素 每个像素有16个等概出现的亮度等级 要求每秒钟传输30帧图像 若信道输出S N 30dB 计算传输该黑白电视图像所要求的信道的最小带宽 解 每个像素携带的平均信息量为H x log216 bit 符号 4bit 符号一帧图像的平均信息量为I 4 3 105 bit 12 105bit每秒钟传输30帧图像时的信息速率为Rb 12 105 30 bit s 36Mbit s令Rb C Blog2 1 S N 得 即传输该黑白电视图像所要求的最小带宽为3 61MHz 1 1 7数字信号的基本形式和码型最简单的数字信号是二元码 或称二进制码 这种码的幅度只取两种不同的瞬时值 这种二进制码分为单极性 双极性和归零 不归零四种不同的基本形式 图 二元码的四种基本形式 在二进制数字通信系统中 每个码元或每个符号只能是 1 和 0 两个状态之一 实际通信中也可以有多信号电平系统即对应多进制码 进制越高 级差越小 抗干扰能力越差 但是进制越高 每个符号所代表的信息量越大 在信息论中对符号所载荷的信息量有严格定义 在二进制数字传输中 若数字序列里1和0的概率各占1 2 并且前后码元是相互独立的 序列中每个二进制码元所载荷的信息量就是1比特 而多进制每个符号所含的信息量将要增加 四电平的符号包含log24 2bit的信息量 八电平的符号包含log28 3bit的信息量 数字信号码型基带信号的码型有如下几种 1 二元码 采用两个电平编出来的码型 主要有单极性不归零码 单极性归零码 双极性归零码 双极性非归零码 差分编码 双相脉冲编码等 2 三元码 信号的幅度取值为 1 0 1 如 传号交替反转码 HDBn码等 3 伪双极性码 4 mBnB码 分组码 把输入的信息码流按m个比特为一组然后变换为n个比特 且n m 如在光纤通信中常用的5B6B码 由于传输信道中有许多电感 电容原件 因其直流截止特性 对线路传输码型的要求如下 频谱中不存在直流成分 尽量减少码型频谱中的高频分量 具有一定的抗干扰能力 便于时钟信号的提取 具有较好的传输效率 码型变换设备简单 易于实现 1 1 8通信信道 1 通信媒体a 明线b 双绞线 twisted pair c 同轴电缆 coaxialcable d 光纤e 微波通信f 卫星通信g 陆地移动通信 有线电信道 a明线 即平行绝缘线 优点 传输损耗低缺点 噪声干扰敏感 b对称电缆 拧成扭绞状的电缆 优点 较稳定缺点 损耗较大 c同轴电缆优点 外导体接地 屏蔽干扰LAN用基带 50 93 CATV 75 图 对称电缆结构图 图 同轴电缆结构图 表 几种有线电缆的特性 非屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线 STP 两大类 STP外面由一层金属材料包裹 以减小辐射 防止信息被窃听 同时具有较高的数据传输速率 但价格较高 安装也比较复杂 UTP无金属屏蔽材料 只有一层绝缘胶皮包裹 价格相对便宜 组网灵活 除某些特殊场合 如受电磁辐射严重 对传输质量要求较高等 在布线中使用STP外 一般情况下我们都采用UTP 现在使用的UTP可分为3类 4类 五类和超五类四种 其中 3类UTP适应了以太网 10Mbps 对传输介质的要求 是早期网络中重要的传输介质 4类UTP因标准的推出比3类晚 而传输性能与3类UTP相比并没有提高多少 所以一般较少使用 五类UTP因价廉质优而成为快速以太网 100Mbps 的首选介质 超五类UTP的用武之地是千兆位以太网 1000Mbps d 光纤信道 组成 调制电信号 调制电信号 表 无线电波波段的划分 表 微波频段的划分 电磁波的传播速度与其频率f 波长又有下列固定关系 若微波是在真空中传播 则速度为 e 无线视距中继信道 超短波 微波 图 微波中继信道的构成 微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继 接力 方式在地面上进行的无线电通信 微波频段的波长范围为lm 1mm 频率范围为300MHz 300GHz 微波通信是在第二次世界大战后期开始使用的无线电通信技术 经过50年的发展已经获得广泛的应用 微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类 模拟微波通信早已发展成熟 并逐渐被数字微波通信取代 数字微波通信已成为一种重要的传输手段 并与卫星通信 光纤通信一起作为当今三大传输手段 图 二频制或四频制频率配置方式 微波中继信道具有传输容量大 长途传输质量稳定 节约有色金属 投资少 维护方便等优点 因此 被广泛用来传输多路电话及电视等 二频制方案是每个中间站的两个通信方向的收发频率均相同 但收发频率逐站更换一次 其优点是占用频带窄 频谱利用率高 缺点是存在反向干扰和越站同频干扰问题 采用四频制方案时 没有反向干扰问题 但仍然存在越站同频干扰问题 且其占用频带比二频制方案宽一倍 使用微波频段使用转发器接收和转发 f 卫星中继通信 若以静止卫星作为中继站 采用三个相差120 的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域 两极盲区除外 如图所示 若采用中 低轨道移动卫星 则需要多颗卫星覆盖地球 所需卫星的个数与卫星轨道高度有关 轨道越低所需卫星数越多 目前卫星中继信道主要工作频段有 L频段 1 5 1 6GHz C频段 4 6GHz Ku频段 12 14GHz Ka频段 20 30GHz 卫星中继信道的主要特点是通信容量大 传输质量稳定 传输距离远 覆盖区域广等 另外 由于卫星轨道离地面较远信号衰减大 电波往返所需要的时间较长 对于静止卫星 由地球站至通信卫星 再回到地球站的一次往返需要0 26s左右 传输话音信号时会感觉明显的延迟效应 目前卫星中继信道主要用来传输多路电话 电视和数据 g 陆地移动信道陆地移动通信工作频段主要在VHF 甚高频 30 300MHz 和UHF 特高频 300MHz 3GHz 频段 电波传播特点是以直射波为主 但是 由于城市建筑群和其他地形地物的影响 电波在传播过程中会产生反射波 散射波以及它们的合成波 电波传输环境较为复杂 因此移动信道是典型的随参信道 图 移动信道的传播路径 2 复用技术 复用 是一种将若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法 为了使若干个这种信号能在同一信道上传输 可以使他们的频谱调制到不同的频段 合并在一起而不致相互影响 并能在接收端彼此分离开来 常见的信道复用采用按频率区分 按码序列区分或按时间区分信号 按频率区分信号的方法称为频分复用 FDM 按时间区分信号的方法称为时分复用 TDM 按码序列区分的方法称为码分复用 CDM 频分多路复用 FDM FDM的基本原理FDM是把一条公共信道上可用的传输频段分割成多个较窄的频带 并使每个窄带都变成为一个独立信道的复用技术 即由将不同的信号由不同的频段传输 使得数个信号能在同一时间由同一媒介传输 调制设备可将每一信号移动到它被允許使用的频段 复用设备可将调制后的信号合并 再经由同一媒介传送 FDM的特点FDM的主要优点是容易实现 技术成熟 能较充分地利用信道带宽 但其缺点也是明显的 因为 保护频带占用了一定的信道带宽 从而大大降低了FDM的效率 信道的非线性失真改变了它的实际频率特性 易造成串音和互调噪声干扰 所需设备随输入路数增加而增多 不易小型化 FDM不提供差错控制技术 不便于性能监测 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM TDM的原理TDM是一种按规定的时间间隔 并在时间上相互错开 在一条公共信道上传输多路信号的复用技术 TDM的特点TDM的主要优点是 不存在保护频带 可有效地提高信息传输效率 信道占用频带窄 容量大 其主要缺点是 通信双方时隙必须严格保持同步 码分复用是指利用一组正交码序列来区分各路信号 它们占用的频带和时间都可重叠 实现码分复用的理论依据是利用自相关函数抑制互相关函数的特性来选取正交信号码组中的所需信号 因此 码分复用也称为正交复用 信道的效率高 系统的容量大适合现代移动通信网所要求的大容量 高质量 综合业务 软切换等 正受到越来越多的运营商和用户的青睐 码分多路复用 CDM 通信网是指由一定数量的节点 包括终端设备和交换设备 和连接节点的传输链路相互有机的组合在一起 以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系 1 1 9通信网 1 通信网的组成通信网组成的基本要素 硬件 是 终端设备 传输链路 转接交换设备 终端设备是通信网中的源点和终点 其主要功能在于将输入信息变换为易于在信道中传送的信号 并参与控制通信工作 不同的通信业务有不同的终端 一般有电话 数字 数据 图像和多媒体终端 传输链路是网络节点的链接媒体 也是信息与信号的传输通路 它由传输介质和各种通信装置组成 传输链路具有波形变换 调制解调 多路复用 收发信等功能 传输介质分为有线或无线传输线路 如明线 电缆 载波传输线路 PCM传输系统 数字微波传输系统 光纤传输系统和卫星传输系统等 交换设备是通信网的核心 其功能为交换 控制 管理及执行等 2 通信网的拓扑结构 星形网 每一个终端均通过单一的传输链路与中心交换节点相连 树形网 是一种分层结构 适用于分级控制的系统 网状网 点点相连 安全性高 链路数多 环形网 三个以上的节点用闭合环路形式组成 总线型网 通过总线把各节点连接起来 从而形成一条共享信道 结构简单 扩展方便 复合型网 该网络结构是现实中最常见的一种形式 其特点是将网状网和星形网结合 通信网的基本结构 a 通信网的基本结构 b 网状型网如果一个网络只连接几台设备 最简单的方法是将它们都直接相连在一起 这种连接称为点对点连接 用这种方式形成的网络称为全互连网络 网状型网 如下图所示 图中有6个设备 在全互连情况下 需要15条传输线路 如果要连的设备有n个 所需线路将达到n n 1 2条 显而易见 这种方式只有在涉及地理范围不大 设备数很少的条件下才有使用的可能 即使属于这种环境 在LAN技术中也不使用 这里所以给出这种拓扑结构 是因为当需要通过互连设备 如路由器 互连多个LAN时 将有可能遇到这种广域网 WAN 的互连技术 星型网星型结构是最古老的一种连接方式 大家每天都使用的电话都属于这种结构 如下图所示 其中 图 a 为电话网的星型结构 图 b 为目前使用最普遍的以太网 Ethernet 星型结构 处于中心位置的网络设备称为集线器 英文名为Hub a 电话网的星型结构 图 a 电话网的星型结构 图 b 以Hub为中心的结构 b 以Hub为中心的结构这种结构便于集中控制 因为端用户之间的通信必须经过中心站 由于这一特点 也带来了易于维护和安全等优点 端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信 但这种结构非常不利的一点是 中心系统必须具有极高的可靠性 因为中心系统一旦损坏 整个系统便趋于瘫痪 对此中心系统通常采用双机热备份 以提高系统的可靠性 这种网络拓扑结构的一种扩充便是星型树 每个Hub与端用户的连接仍为星型 Hub的级连而形成树 然而 Hub级连的个数是有限制的 并随厂商的不同而有变化 另外 以Hub构成的网络结构 虽然呈星型布局 但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式 环型网环型结构在LAN中使用较多 这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户 直到将所有端用户连成环型 如图所示 这种结构消除了端用户通信时对中心系统的依赖性 环行结构的特点是 每个端用户都与两个相临的端用户相连 因而存在着点到点链路 但总是以单向方式操作 于是 便有上游端用户和下游端用户之称 例如上图中 用户N是用户N 1的上游端用户 N 1是N的下游端用户 如果N 1端需将数据发送到N端 则几乎要绕环一周才能到达N端 环上传输的任何报文都必须穿过所有端点 因此 如果环的某一点断开 环上所有端间的通信便会终止 为克服这种网络拓扑结构的脆弱 每个端点除与一个环相连外 还连接到备用环上 当主环故障时 自动转到备用环上 总线型网总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式 也就是说 连接端用户的物理媒体由所有设备共享 如下图所示 使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突 在点到点链路配置时 这是相当简单的 如果这条链路是半双工操作 只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作 在一点到多点方式中 对线路的访问依靠控制端的探询来确定 然而 在LAN环境下 由于所有数据站都是平等的 不能采取上述机制 对此 研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法 带有碰撞检测的载波侦听多址访问 英文缩写成CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetect CSMA CD这种结构具有费用低 数据端用户入网灵活 站点或某个端用户失效不影响其它站点或端用户通信的优点 缺点是一次仅能一个端用户发送数据 其它端用户必须等待到获得发送权 媒体访问获取机制较复杂 尽管有上述一些缺点 但由于布线要求简单 扩充容易 端用户失效 增删不影响全网工作 所以是网络技术中使用最普遍的一种 网络拓扑结构举例 某市社会保险基金管理局通信网作为医疗保险业务通信网的主干网络 是一个以星型结构为主的基于IP技术的通信网络 该市社会保险基金管理局是网络的中心汇聚节点 全市36个节点各通过2MMSTP SDH数字电路与中心节点连接 来自各网点的电路 经电信MSTP SDH网络汇聚成100M以太网口 接入该市社会保险基金管理局 组网方式如下图所示 MSTP Multi ServiceTransferPlatform 基于SDH的多业务传送平台 是指 基于SDH平台同时实现TDM ATM 以太网等业务的接入 处理和传送 提供统一网管的多业务节点 如上图所示 该市社会保险基金管理局采用单星型网络结构组建市医疗保险骨干通信网 在市社会保险基金管理局 中心点 设置核心层节点 36个医疗机构作为边缘层节点分别通过中国电信2MMSTP SDH数字电路与数据中心相连 MSTP SDH作为OSI七层模型中的第二层通信协议 为上层数据信息提供了透明的传输通道 IP层协议包括BGP OSPF等路由协议 这些三 四层协议是构建在二层的MSTP SDH数字电路连接的基础上 与二层的MSTP SDH数字电路是相对独立的 因此选择MSTP SDH数字电路组建骨干通信网 完全能够支持上层路由协议的灵活选择 纵向分层的观点 水平描述水平描述是基于用户接入网络实际的物理连接来划分的 可分为核心网 接入网和用户驻地网 或局域网 城域网和广域网等 图 垂直观点的网络结构 3 通信网的分层结构 1 1 10通信协议 1 协议概念和层次结构协议是指系统间互换数据的一组规则 主要是关于相互交换信息的格式 涵义 节拍等 协议分层总括起来有以下好处 各层之间是独立的 任何一层不需知道下面一层是如何实现的 只需知道下一层所提供的服务和本层向上一层所提供的服务 灵活性好 任何一层发生变化 只要接口关系保持不变 其他各层均不受影响 结构上可以隔开 各层都可采用最合适的技术来实现 易于实现和维护 促进标准化工作 每一层功能所提供的服务都有精确说明 语法 信息与控制信息的结构或格式 语义 需要发出何种控制信息 完成何种