第一章通信网的基本概念和技术(2015)

1、现代通信技术由NordriDesign提供王兰22673321基础实验楼N9212课程简介教学内容通信网/移动通信系统的基本概念通信业务：语音、数据、多媒体交换和路由技术：电话网、数据网、IP网传送网技术：微波通信、卫星通信、移动通信接入网技术：铜线接入、光纤接入、无线接入网络融合技术新技术介绍：LTE、移动互联网、云计算、5G考核方式平时成绩30%+期末考试70%（闭卷）平时成绩：考勤、课堂提问、随堂练习3思考题你对学习这门课程的期望是什么？4通信的目标在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟通联系现代通信网概述6现代通信本课程主要介绍通信，即信息的空间穿越。通信，改变了社会和人们的生活方

2、式。信息高速公路的发展主要依赖通信网技术、多媒体技术和计算机技术，其中通信网中的关键技术包括：光通信技术移动通信和卫星通信技术宽带接入技术Internet技术从某种意义上来说，覆盖全球的通信网是人类迄今为止建立的最大人工系统。7通信发展简史在通信发展的历史上，有些里程碑式的事件，如：电报的发明，出现现代意义上的电信技术。电话的发明，造就了延续百年和遍及全球的电信业务。电报网和电话网的建立，是电信业务的普及和发展的必要条件。机电制自动交换机，自动化控制的开始。PCM系统，通信走向数字化。程控交换，计算机技术的引入。Internet的出现，多种服务、广泛应用和普及。由于广泛的存在，电话网曾经是各种

3、业务网络的基础：电报网、分组交换网等最初都是利用电话网的传输功能建立覆盖网络实现的。在电话网的基础上，实现了数据传输、传真等二次复用业务，有些覆盖网和二次复用业务至今仍然在使用。一直到20世纪70年代，电信网承载的主要还是电话业务。多媒体通信的需求和计算机的出现使得这种局面发生了变化。ISDN概念的提出，为通信网和通信业务的分离建立了基础。8通信系统的分类方式随着社会需求和技术的发展，各种通信技术不断涌现，通信系统也变得越来越复杂。在此形势下，在进行教学和总体考虑时，如何给如此众多的技术和网络分类，一直是众说纷纭。从不同的角度考虑，通信网可以有不同的分类方式。可以按照传统的分类方式，按提供的业

4、务对通信网进行分类，也可以按覆盖地域对其分类，还可以按功能对网络进行分段分类。9通信系统的分类建立通信网的目的是提供通信服务，在电信行业，传统上将电信服务称作电信业务。过去网络业务比较单一，整个网络基本是按电话业务的需求而建立的，直到Internet普及以前，电话网一直作为骨干网络存在。在这种情况下，不同的的服务（业务）一般是建立不同网络（有时是叠加的网络）来实现的，例如，电报网、X.25网、DDN网等等。传统上，常常用承载的业务来对网络进行分类，例如，电话网、电报网、数据网、计算机网、有线电视网等等。从ISDN开始，业务（网络提供给应用的功能）和网络分离的概念开始提出。以Internet为代

5、表的计算机网虽然也能提供各种功能，但同传统网络相比，那是以功能强大的基于计算机终端为基础提供的功能。综合业务的网络当然不能再用承载的业务来分类，于是需要其他的分类方式。10通信系统的分类按照在业务提供中实现的功能来分类，例如，传输网、交换网、接入网、信令网、同步网、管理网等。还可以用网络覆盖的范围来分类网络，例如：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个域网（PAN）。网络所采用的技术也可以成为网络分类的方式，按这种方式，可以有模拟网、数字网、电路交换网、分组交换网。按传输媒质划分：有线通信：电缆、光缆、波导无线通信：电磁波、光波按调制方式分类：基带传输调制传输按传输的信号分类

6、：模拟通信系统数字通信系统11按区域的分类按区域分类的方式过去主要用于计算机网，由于骨干网正在从电话网转向IP网，所以这种分类也就有了普遍意义。广域网（WAN）指覆盖城市、国家间的网络，当前的IP网主要是用SDH作为传输手段，骨干路由和交换设备作为交换手段的网络。城域网（MAN）指本地的计算机网，由于有密集的接入点和交换/路由点的存在，采用的技术也相对复杂一些，FDDI、ATM等底层技术在城域网中也有较多的应用。局域网（LAN）基本上是室内的网络，有时也用于园区（校园网），局域网的底层技术主要是以太网（Ethernet）及其变种技术，近年来，无线局域网（WLAN）发展迅速。和一般公众无线通信不

7、同，无线局域网采用的是ISM频段，是开放的频段，可以不经申请使用。12按功能的分类这里的功能是指网络在通信中起的作用，严格来说，应当是按功能的模块划分。为了完成通信，至少要有以下组成部分：用户终端，通信双方直接与之交互的设备。接入功能，将终端接入网络。交换功能，实现通信的控制，完成通信接续。传输功能，完成信息的跨地理范围的传输。管理和运营功能，实现运营和网络的管理。除了终端以外，习惯上，人们常常把完成这些功能的网络组成部分也称作是“xx网”。13传输网交换网接入网接入网接入网接入网支撑网14点-点通信系统的构成信信源源发发送送设设备备信信道道接接收收设设备备信信宿宿噪噪声声源源发发送送端端接接

8、收收端端信源： 是指发出信息的信息源，或者说是信息的发出者。发送设备： 功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。信道： 信道是信号传输媒介的总称。 接收设备：接收设备是发送设备的逆变换，其功能是把从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信号。信宿： 是指信息传送的终点，也就是信息接收者。 噪声源： 噪声源并不是一个人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。15现代通信网的分层结构交通监控医疗监护手机应用大数据处理交换路由交换路由业务与终端交换与路由接入与传送业务接入16通信网组网结构网状型网星型网复合型网环型网总线型网树型网17通信网的质量要求一般通信网的质量要求为了使

9、通信网能快速、有效、可靠地传递信息，充分发挥其作用，对通信网一般提出三项要求：接通的任意性与快速性；信号传输的透明性与传输质量的一致性；网络的可靠性与经济合理性。电话通信网的质量要求电话通信是目前用户最基本的业务需求，对电话通信网的三项要求是：接续质量、传输质量和稳定质量。18现代通信技术的发展趋势1. 通信业务综合化2. 网络互通融合化3. 通信网络宽带化4. 网络管理智能化5. 通信网络泛在化移动通信发展历程20移动通信发展历程第一阶段：20世纪20年代至40年代，现代移动通信的起步阶段。专用移动通信系统人工交换和人工切换频率应用：船舶、汽车和飞机等专用无线通信系统及军事通信系统1946年

10、，美国贝尔系统建立了世界上第一个公用汽车电话网第二阶段：20世纪40年代中期至60年代初期，公用移动通信业务开始问世。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网络的容量较小。第三阶段：20世纪60年代中期至70年代中期美国推出了IMTS系统，采用大区制、中小容量。无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。21蜂窝移动通信的飞速发展蜂窝移动通信的飞速发展v 移动通信系统每一次更新换代移动通信系统每一次更新换代都有都有颠覆性技术引领颠覆性技术引领1G2G3G4G5G大区制到蜂大区制到蜂窝，窝，FDMA接入接入模拟到数字，模拟到数字，TDMA接入接

11、入单一话音到多单一话音到多媒体，媒体，CDMA接入接入OFDM-MIMO，空域资源空域资源利用利用？：频谱，？：频谱，接入，组网接入，组网容量容量话音业务话音业务和容量和容量多媒体业多媒体业务和容量务和容量高速高质高速高质多媒体业多媒体业务和容量务和容量容量，能容量，能耗，业务耗，业务v 移动通信系统每一次更新换代移动通信系统每一次更新换代都都解决了当时的最主要需求解决了当时的最主要需求22我国移动通信发展概况 1987年，采用爱立信和摩托罗拉移动电话系统，形成A网、B网两个系统； 1996年实现全国联网； 2001年底，我国关闭了模拟网。 1993年，开始建“全球通（GSM）”数字移动通信网

12、。 2002年5月，中国移动正式开通GPRS网络，采用分组交换技术。 2000年初开始3G的标准化工作，包括WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。 2009年1月7日，工信部为中国移动、中国电信和中国联通发放3张3G牌照。 2013年12月4日，工信部向三家运营商正式发放“TD-LTE”4G牌照。 2015年2月27日，工信部向中国电信和中国联通发放“LTE FDD”牌照。 据中国移动公布的数据显示，在获得TD-LTE牌照一年多来，已建成TD-LTE基站超过70万个，发展4G用户超过1亿户。模拟系统数字系统23移动通信带宽的发展由于无线通信系统的共享特性，多用户必须复用、共享带宽，因

13、此尽管无线带宽一直在飞速发展，但是依然和有线带宽存在着差距。通过高效的编码技术、先进的信号处理技术和动态的资源分配技术等手段提高系统的容量。Rel-99Rel-99WCDMAWCDMA384 kbps384 kbps1.8-14.4 Mbps384 kbps1.8-14.4 Mbps5.7 Mpbs28 Mbps11 Mpbs42 Mbps11 Mpbs100 Mbps50 MpbsRel-5Rel-5HSDPAHSDPARel-6Rel-6HSUPAHSUPARel-7Rel-7MIMO 2x2MIMO 2x2Rel-8Rel-864 QAM64 QAMRel-9Rel-9OFDMAOFDM

14、ADL: UL:2424容量需求和频谱短缺矛盾突出容量需求：根据预测，随着智能终端普及和数据业务增长，移动通信业务量未来每年会以近一倍的速度增长，未来10年数据业务将增长1000倍。频谱短缺：FCC预测， 2014年移动数据业务的增长将导致巨大的频谱赤字，达300MHz。Source: FCC 2010频谱短缺和容量需求的矛盾需频谱短缺和容量需求的矛盾需要技术和策略的突破要技术和策略的突破移动网络体系架构26移动通信全网架构业务网业务网支撑网支撑网接入网接入网用户用户个人个人家家 庭庭集团集团省际/省内干线传送网传送网核心网核心网分组域MGWMSSCMNR4软交换网信令网MSSBSSOSSP-

15、GWMMES-GWePDGGGSNSGSNHLRHSSDSMP业务数据数据中心TD-SCDMA/HSPA(TDD)IP专网CMNET承载网承载网城域网城域网NG-GSMPONWLANFiberTD-LTECableI/S-CSCFMRSBGCFIMSMGWMGCFCM-IMS域NG-GSM：2G无线接入网，承载90%以上的语音业务和部分数据业务，依然是目前最重要的接入网络TD-SCDMA/WCDMA：3G无线接入网，承载数据业务为主TD-LTE：4G无线接入网，承载多媒体业务为主WLAN: 室内覆盖为主，有线网络的无线延伸接入网接入网传送网由光纤等管道资源组成，是网络的基础结构承载网：也叫IP

16、网，由路由器交换机设备组成，承上启下传送网和承载网传送网和承载网电路域：由MSC、MGW等网元组成，承载移动通信中的语音业务，同时和固定电话网相连，另外还包括HLR等移动管理相关的网元信令网：由处理7号信令的网元组成，可以看作电路域的一部分分组域：由SGSN、GGSN等网元组成，承载移动数据业务。核心网核心网支撑网负责网络的计费、管理和运营业务网由各类业务服务器组成支撑网和业务网支撑网和业务网27移动接入和有线接入CMNETIP专网专网Router二层以太网BRAS/SR固定接入固定接入AR集团客户集团客户有线接入有线接入 移动接入移动接入BSCSGSNPSMSCMGWPCURNCNodeBG

17、GSNCSSGSNBTSSAES-GWP-GWMMEE-NB2G/3G/LTE28传送网接入核心专线省内干线 密集城市城区小镇乡村汇聚省际干线 MSC ServerMGW29IP承载网图例：骨干核心节点骨干接入节点成都成都南京南京北京北京沈阳沈阳西安西安上海上海广州广州武汉武汉福州石家庄南宁拉萨大连天津厦门南昌重庆长春济南青岛无锡合肥海口长沙深圳昆明贵阳沧州哈尔滨郑州呼和浩特西宁太原银川兰州乌鲁木齐杭州30移动网、承载网、传送网层次关系CMNETIP专网RouterSR固定接入AR集团客户移动网承载网 2G GbAbisBSCBTSSGSNPSMSCMGWPCUIubRNCNodeB3G AI

18、u-PSIu-CSGGSNCSSGSN传送网 WDMSDH/WDMSDH/MSTP固定接入集团客户城域核心层城域汇聚/接入层SwitchBRAS无线通信方式的分类32按照工作方式分类单向传输双向传输广播式（无线电寻呼系统）应答式单工双工半双工问题：单向和双向的优缺点？33单工通信通信双方电台交替地进行收信和发信根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工通信双方收发使用同一频率的称为同频单工收发使用不同频率的称为异频单工特点：设备简单、功耗小，但操作不方便，会出现断断续续的现象应用：适用于用户少、专业性强的移动通信系统中发射机接收机f1( f2 )送受话器电台（甲）发射机接收机送受话器f1

19、( f1 )f1( f2 )f1( f1 )PTT电台（乙）PTT34双工通信通信双方均可同时收发的工作方式，如有线电话和手机双工通信可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）频分双工（FDD）应用较为广泛，如GSM及WCDMA等都采用频分双工特点：使用方便，无须收发控制。由于收发信机同时工作，故电源耗电量较大发射机接收机f1f2送话器受话器基站双工器发射机接收机f2f1f1送话器受话器移动台35双工技术比较5MHz时间频率下行上行下行上行下行信道时间频率5MHz5MHz上行信道频分双工技术时分双工技术FDD：实现简单，目前广泛采用TDD：避免了收发之间的干扰，节约频率资源，但是需要精确的时

20、间同步技术36半双工通信移动台采用单工的“按讲”方式，而接收机总是工作的基站台的工作情况与双工方式完全相同特点：设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不太方便应用：专业移动通信系统，如汽车调度系统无线通信的多址方式38多址方式多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)第二代移动通信GSM是频分多址技术的代表第三代移动通信中，WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA系统的多址技术为CDMA第四代移动通信中，多址技术是OFDM问题：什么叫多址方式？39频分多址FDMA40时分多址TDMA41码分多址CDMA42正交频分复用OFDM蜂窝

21、移动通信系统44蜂窝移动通信系统早期的移动通信系统（大区制）在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几十公里）。同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。蜂窝移动通信系统（小区制）整个服务区域划分成若干个较小的区域（cell），各小区用小功率的发射机（即基站）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样覆盖任意形状的服务地区。相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰，称同道干扰。问题：目前的基站辐射到底有多可怕？45大区覆盖与小区覆盖(a) 大区覆盖； (b) 小区覆盖 46蜂窝系统的区群和频率复用区群与频率再用：把若干相邻小区按一定数目划分成区群，并把可供使用的无线频道分成若干个频率组