第17章物联网通信技术(曾宪武)LXX2014.7

1、第17章通信网概念及其发展1 1 第17章通信网概念及其发展17.1通信网概述通信网概述17.2通信技术的发展趋势通信技术的发展趋势本章小结本章小结第17章通信网概念及其发展2 217.1 通信网的基本概念通信网的基本概念17.1.1 通通 信信 网网 概概 述述1. 通信网的构成要素1） 终端设备终端设备是通信网中的源点和终点， 也就是通信系统中的信源和信宿。 它除了对应于通信系统的信源和信宿外， 还包含了一部分变换和反变换系统。 终端设备主要包括以下两个功能：第17章通信网概念及其发展3 3（1） 信息的变换与反变换功能。 发送端将发送的信息转换为适合于信道传输的信号， 接收端则接收信道中

2、的信号， 并通过反变换还原成发送端发送的信息。（2） 能产生和识别通信网内所需要的信令信号或规则， 完成一系列控制动作以使终端间或节点间能相互联系和相互应答。 常用的终端设备有音频通信终端、 图形图像通信终端、 视频通信终端、 数据终端、 多媒体通信终端等。第17章通信网概念及其发展4 42） 交换设备交换设备是实现一个终端设备和另一个或多个终端设备之间的接续， 或提供非连接传输链路的设备和系统， 是构成通信网节点的主要设备。 交换设备以节点的形式与传输链路一起构成了各种拓扑结构的通信网。 不同的业务网对交换设备性能的要求也不同。 对于电话网， 要求交换产生的时延要非常小。 通信网中常用的交换

3、技术有电路交换、 报文交换和分组交换。 第17章通信网概念及其发展5 53） 传输设备传输设备是实现将信号从一个地点传送到另一个地点的设备， 它构成了通信网中的传输链路。 传输设备由传输线路和各种收发设备组成， 如光纤（光缆）、 光端机等。 第17章通信网概念及其发展6 64） 规章与规程仅仅将终端设备、 交换设备和传输设备连接起来还不能很好地完成信息的传递和交换。 就如计算机仅有硬件无法正常使用一样， 通信网也需要相应的软件使其正常的运转， 这些“软件”就是通信网中的规章与规程， 包括通信网的拓扑结构、 通信网内信令、 协议和接口、 通信网的技术体制和标准等； 另外， 还有通信网的组织与管理

4、等。 上述这些规章与规程是实现通信网运营的重要支撑条件。第17章通信网概念及其发展7 72. 通信网的基本拓扑结构1） 网型网网型网如图17.1.1(a)所示， 网内任何2个节点之间均有直达线路相连。如果有N个节点， 则网中需要有N（N1）/2条传输链路。 因此， 当节点数增加时， 传输链路的数量将迅速增大。 这种网络结构的优点是稳定性好， 但冗余度较大， 线路利用率不高， 经济性较差， 适用于节点间信息量较大而节点数较少的情况。第17章通信网概念及其发展8 8图17.1.1(b)给出的是网孔型网， 它是网型网的一种， 也就是不完全网型网， 或称为格型网。 在这种网络中， 大部分节点相互之间有

5、线路直接连接， 小部分节点可能与其他节点之间没有线路直接相连。 通常信息量较少节点之间不需要直达线路。 网孔型网与网型网相比，可适当节省一些线路， 经济性有所改善， 但可靠性会有所降低。第17章通信网概念及其发展9 9图17.1.1 网型网与网孔型网第17章通信网概念及其发展10 102） 星型网如图17.1.2所示， 星型网也称为辐射网。 在网内， 一个节点作为辐射点， 其他节点与辐射节点通过线路连接。 具有N个节点的星型网至少需要N1条传输链路。 星型网的辐射节点是转接交换中心， 其余N1个节点间的相互通信都要经过转接交换中心的交换设备， 因此该交换设备的交换能力和可靠性会影响网内的所有节

6、点。第17章通信网概念及其发展11 11图17.1.2 星型网第17章通信网概念及其发展12 12与网型网相比， 星型网的传输链路少， 线路利用率高， 因此， 当交换设备的费用低于相关传输链路的费用时， 星型网的经济性较好。 但是当交换设备的转接能力不足或设备发生故障时， 网络的接续质量和网络的可靠性会受到影响， 严重时会造成全网瘫痪。 第17章通信网概念及其发展13 133） 复合型网复合型网是由网型网和星型网复合而成的， 如图17.1.3所示。 根据网中信息业务量的需要， 以星型网为基础， 在信息业务量较大的转接交换中心区间采用网型网结构， 可以使整个网络有较好的经济性和可靠性。 复合型网

7、具有网型网和星型网的优点， 是通信网中普遍采用的一种网络结构， 但在网络设计时应以交换设备和传输链路的总费用最小为原则。 第17章通信网概念及其发展14 14图17.1.3 复合型网第17章通信网概念及其发展15 154） 环型网环型网如图17.1.4所示， 其特点是结构简单， 易于实现， 而且可采用自愈环对网络进行自动保护， 因此可靠性比较高， 在计算机通信网中应用较多。 另外， 还有一种叫做线型网的网络结构， 如图17.1.5所示， 它与环型网的区别在于其网络结构是开环的， 首、 尾不相连。 线型网常用于同步数字体系(SDH)传输网中。 第17章通信网概念及其发展16 16图17.1.4

8、环型网第17章通信网概念及其发展17 17图17.1.5 线型网第17章通信网概念及其发展18 185） 总线型网总线型网是指所有节点都连接在一条公共传输链路（或总线）上， 如图17.1.6所示。 由于多个节点共享一条链路， 因此， 某一时刻只能有一个节点发送信息。 这种网络结构需要的传输链路少， 增减节点比较方便， 但可靠性较差， 网络范围也受到限制， 但该结构在计算机通信网中应用较多。 第17章通信网概念及其发展19 19图17.1.6 总线型网第17章通信网概念及其发展20206） 树型网树型网可以看成是星型节点网拓扑结构的扩展， 如图17.1.7所示。 在树型网中， 节点是按层次连接的

9、， 信息交换主要在上、 下节点之间进行。 树型结构主要用于接入网或用户线路网中。 另外， 主从网同步方式中的时钟分配网也采用树型结构。 第17章通信网概念及其发展21 21图17.1.7 树型网第17章通信网概念及其发展22223. 分级网与无级网网络拓扑结构对网络的路由组织有较大的影响， 根据结构与路由的不同可将通信网分为分级网和无级网两种形式。 1） 分级网在分级网中， 网络节点间存在等级划分， 设置端局和各汇接中心， 每一个汇接中心负责一定区域的通信流量， 网络的拓扑结构一般为逐级辐射的星型网或复合网。第17章通信网概念及其发展2323分级网中的路由也要划分等级， 路由选择有严格的规则。

10、 它是为了尽量集中业务量， 提高全网传输系统利用率所采用的结构。 例如在电话网中， 交换中心分为初级、 二级等若干等级， 电路也分为基干电路、 低呼损直达电路、 高效直达电路等。 如图17.1.8所示， A处的初级交换中心到B处的收端路由选择顺序为1、 2、 3、 4、 5、 6。 首先应选择直达路由1， 其次是B处上一级初级交换中心转接的迂回路由2， 最后是基干路由6。 第17章通信网概念及其发展2424图17.1.8 分级电话网第17章通信网概念及其发展25252） 无级网无级网打破了交换中心分上下级的网络组织原则， 各交换中心完全平等， 任何两个交换中心间均可组织收发通信。 在无级网中，

11、 路由没有明确的等级划分， 路由选择顺序没有严格的限制， 其路由选择方式可采用静态或动态路由方式来选择通信链路。 第17章通信网概念及其发展262617.1.2 通信网的分层结构通信网的分层结构1. OSI模型与分层的作用随着通信技术的发展与需求的多样化， 现代通信网正处于革新与发展之中， 网络类型及提供的业务种类也不断增加和发展， 形成了复杂的通信网络体系。 第17章通信网概念及其发展2727为了更好地描述现代通信网， 需引入网络的分层结构。 从通信网纵向分层的观点来看， 可根据不同的功能将网络分解成多个功能层， 上下层之间的关系为客户/服务者的关系。 通信网的纵向分层结构是网络演进的焦点，

12、 而开放系统互联(OSI)七层参考模型是人们普遍认可的分层方式。 OSI 七层参考模型的体系结构如图17.1.9所示。 第17章通信网概念及其发展2828图17.1.9 OSI参考模型第17章通信网概念及其发展29291） 物理层物理层的任务是透明地传送信息比特流， 在物理层上所传输的数据是以比特为单位的。 传送信息所应用的物理媒质， 如双绞线、 同轴电缆、 光纤、 无线电波等并不在物理层内， 而是在其下面， 因此可认为这些传输媒质为分层参考模型的第0层。 物理层还需要确定接口方式， 如电缆的插头引脚， 以及如何连接等。 第17章通信网概念及其发展30302） 数据链路层数据链路层的任务是在两

13、个相邻节点间的链路上， 实现以帧为单位的无差错的数据传输。 每一帧包括数据和必要的控制信息。 在传送信息时， 若接收节点检测到所接收的数据中有差错， 就通知发送节点重发该帧， 直到正确为止。 在帧的控制信息中， 包括了同步、 地址、 差错控制以及流量控制等信息， 这样数据链路层就把一条可能出差错的实际链路转换为了一个让网络看来无差错的链路。 第17章通信网概念及其发展31 313） 网络层在网络层中， 数据传送的单位是分组或包， 该分组或包是由运输层下达到网络层的。 网络层的任务就是要选择合适的路由， 使发送节点的数据分组能够正确无误地按照地址找到目标节点，并交付给目标节点的运输层。第17章通

14、信网概念及其发展32324） 运输层在运输层， 信息的传送单位是报文， 当报文较长时， 先将其分割为若干个分组， 然后下达给网络层进行传输。 运输层的任务是根据下面通信网的特性， 以最佳的方式利用网络资源， 并以可靠经济的方式为发送节点和接收节点建立一条运输连接， 来透明地传送报文。 运输层为上一层进行通信的两个进程间提供了一个可靠的端到端的服务， 使得运输层以上各层不必关心信息是如何传送的。 第17章通信网概念及其发展33334） 运输层在运输层， 信息的传送单位是报文， 当报文较长时， 先将其分割为若干个分组， 然后下达给网络层进行传输。 运输层的任务是根据下面通信网的特性， 以最佳的方式

15、利用网络资源， 并以可靠经济的方式为发送节点和接收节点建立一条运输连接， 来透明地传送报文。 运输层为上一层进行通信的两个进程间提供了一个可靠的端到端的服务， 使得运输层以上各层不必关心信息是如何传送的。 第17章通信网概念及其发展34347） 应用层应用层对应用进程进行了抽象， 它只保留应用进程中与进程间交互有关的那些部分。 经过抽象后的应用进程就成为了OSI应用层中的应用实体。 OSI的应用层并不是把各种应用进行了标准化， 应用层所标准化的是一些应用进程经常使用的功能， 以及实现这些功能所应用的协议。 OSI七层模型对网络进行了较为细致复杂的划分， 但目前按照七层结构建立的通信网是不存在的

16、。 实际构建网络时可灵活应用层次划分的原则。 第17章通信网概念及其发展3535网络的分层使网络的规范化和实施无关， 但网络设计和构建时各层的功能相对独立， 而单独设计、 构建和运行每一层要比将整个网络作为一个单个实体要简单得多。 当网络中的各层需要演进时， 只要保持上下两层的接口功能不变， 就不会影响整个网络的运行， 因此保持各层之间接口的相对稳定， 对整个网络的分布演进具有非常重要的作用。 第17章通信网概念及其发展36362. 通信网的分层结构按照功能的划分， 可以从垂直结构上将通信网分为应用层、 业务层和传送层。 应用层表示信息的各种应用， 业务层表示传送各种信息业务的业务网， 传送层

17、表示支持业务网的传送手段和基础设施。 另外还需要支撑网来支持三个层的运行， 它提供了保障通信网有效运行的各种控制和管理能力。 传统的通信支撑网包括信令网、 同步网和通信管理网。第17章通信网概念及其发展3737实际上物联网是泛在网的初级阶段， 它的应用部分也是通信业务网的一部分， 需要传送层来支撑感知层的信息采集与控制， 以及应用层的专业应用。 通信网的分层结构如图17.1.10所示。第17章通信网概念及其发展3838图17.1.10 垂直观点的通信网结构第17章通信网概念及其发展393917.1.3 通信网的分类及通信网的质量要求通信网的分类及通信网的质量要求1. 通信网的分类 (1） 根据

18、业务种类可以分为电话网、 电报网、 传真网、 广播电视网、 数据网等。（2） 根据所传输信号的形式可以分为数字网和模拟网。（3） 根据组网方式可以分为固定通信网和移动通信网。（4） 根据服务范围可以分为本地网、 长途网和国际网。（5） 根据运营方式可以分为公用通信网和专用通信网。第17章通信网概念及其发展40402. 通信网的质量要求1） 接通的任意性与快速性 接通的任意性与快速性是指通信网内的一个终端用户应能快速地接通网内的任一其他终端用户。 这是对通信网的最基本要求。 影响接通的任意性与快速性的主要因素有通信网的拓扑结构、 通信网的网络资源和通信网的可靠性。 第17章通信网概念及其发展41

19、 412） 信号传输的透明性与传输质量的一致性信号传输的透明性是指在规定业务范围内的信息都可以在网内传输， 对用户不加任何限制。传输质量的一致性是指网内任何两个终端用户通信时， 应具有相同或相近的传输质量， 而与用户终端之间的距离无关。 通信网的传输质量直接影响通信的效果， 不符合传输质量要求的通信网有时是没有意义的， 因此要制定传输质量标准进行合理分配， 使网中的各部分均满足传输质量指标的要求。第17章通信网概念及其发展42423） 网络的可靠性与经济合理性 所谓可靠， 是指概率的意义上的可靠， 即使平均故障间隔时间达到一定的要求。 可靠性必须与经济合理性结合起来。 提高可靠性往往会增加投资

20、， 但造价太高又不易实现， 因此应根据实际需要在可靠性与经济性之间进行折中和平衡。 第17章通信网概念及其发展434317.2 通信技术的发展趋势通信技术的发展趋势1. 数字化数字化是通信技术发展的基础， 没有数字化也就没有其他“五化”。 数字通信具有抗干扰能力强、 失真不累积、 易于加密、 适于集成、 利于传输和交换的综合， 以及可兼容数字电话、 电报、 数字和图像等多种信息的传输等优点。 与传统的模拟通信相比， 数字通信更加通用和灵活， 也为实现通信网的计算机管理创造了条件。 可以说， 数字化是现代通信技术的基础和基本特征。 第17章通信网概念及其发展44442. 综合化综合化即通信业务的

21、综合化， 是现代通信发展的另一个显著特点。 随着社会的发展和人们对通信业务种类需求的不断增加， 单一的业务已不能满足用户的需求。 就目前而言， 传真、 电子邮件、 交互式可视图文， 以及数据通信的其他各种增值业务等都在迅速发展， 如果每出现一种业务就建立一个专用的通信网， 必然会使得投资大而效益低， 并且各个独立网的资源不能共享。 另外， 多个网并存也不便于统一管理。 如果把各种通信业务， 包括电话业务和非电话业务等以数字方式统一综合到一个网络中进行传输、 交换和处理， 就可以克服上述弊端， 达到一网多用的目的。 第17章通信网概念及其发展45453. 融合化融合化即网络融合化， 它将成为网络

22、技术发展的主流。 从更广义的角度看， 网络技术的融合以及市场发展的需要和宏观管制环境的变化将导致“三网融合”。 “三网”指的是电信网、 计算机网和广播电视网。 目前， “三网融合”主要是指高层业务应用的融合， 表现为技术上趋向一致， 网络层上实现互连互通， 业务层上互相渗透和交叉， 应用层上趋向采用统一的通信协议， 行业管制和政策方面也逐渐倾向统一。 第17章通信网概念及其发展4646至于各种业务的基础网本身由于历史原因以及竞争的需要将会长期共存、 竞争和发展， 而业务层的融合则不会受限于基础网传送结构的限制。 从长远看， “三网融合”的最终结果是产生下一代网， 它不是现有“三网”的简单延伸和

23、叠加， 而应是其各自优势的有机融合。 第17章通信网概念及其发展4747从技术层面上看， 融合将体现在语音技术与数据技术的融合、 电路交换与分组交换的融合、 传输与交换的融合、 电与光的融合。 “三网融合”不仅使语音、 数据和图像这三大基本业务的界限逐渐消失， 也使网络层和业务层的界限在网络边缘处变得模糊。 网络边缘的各种业务层和网络层正走向功能乃至物理上的融合， 整个网络正向下一代的融合网络演进， 最终导致传统的电信网、 计算机网和有线电视网在技术、 业务、 市场、 终端、 网络乃至行业管制和政策方面的融合。第17章通信网概念及其发展4848物联网的发展， 将进一步推动各种网络的融合。 覆盖

24、广大的感知控制层， 要求有各种各样的接入网能接入到Internet中， 而Internet则是目前看来能实现多种业务相融合的最佳技术手段。 海量的感知控制节点、 多样性的异构终端、 多样性的信息服务需求， 将使得现有的各种传送网、 接入网和业务网彻底融合， 并向泛在网演进。 第17章通信网概念及其发展49494. 宽带化宽带化即通信网络的宽带化， 它是电信网络发展的基本特征和必然趋势。 为用户提供高速、 全方位的信息服务， 是网络发展的重要目标。 近年来， 几乎在网络的所有层面（如接入层、 边缘层、 核心交换层）都在开发高速技术， 高速选路和交换、 高速光传输、 宽带接入技术都取得了重大进展。

25、 超高速路由交换、 高速互联网、 超高速光传输、 高速无线数据通信以及宽带移动通信等新技术已成为新一代信息网络的关键技术。 第17章通信网概念及其发展50505. 智能化智能化即网络管理智能化， 就是将传统电话网中交换机的功能予以分解， 让交换机只完成基本的呼叫处理， 而把各类业务处理， 包括各种新业务的提供、 修改以及管理等交给具有业务控制功能的计算机系统来完成。 采用开放式结构和标准接口结构的灵活性、 智能的分布性、 对象的个体性、 入口的综合性和网络资源利用的有效性等手段， 可以解决信息网络在性能、 安全、 可管理性、 可扩展性等方面面临的诸多问题， 对通信网络的发展具有重要影响。 第17章通信网概念及其发展51 516. 个人化个人化即通信服务个人化， 指的是任何人在任何时间、 任何地点与任何人进行任何业务的通信。 个人通信能为属于某个人的终端提供广泛的移动性， 把通信服务从终端推向个人。 也就是说， 通信是在人与人之间进行的， 每个人都有唯一的个人通信号码， 通过这个号码就可以进行所需的通信。第17章通信网概念及其发展5252随着通信网络体系结构的演变和宽带技术的发展， 传统网络将向下一代网络(Next Generation Network， NGN)演进， 其典型特征是： 多业务（语音与