《数字通信原理》课件 项目九-探索通信新技术

数字通信原理01项目1：认识通信系统02项目2：认识通信信号CONTENTS03项目3：认知数字基带传输04项目4：理解调制解调05项目5：揭秘编码06项目6：认知定时与同步07项目7：仿真数据通信系统08项目8：仿真移动通信系统09项目9：探索通信新技术项目9探索通信新技术探索通信新技术项目9项目描述结合通信技术的发展与基本原理，剖析通信系统为例的发展趋势，进一步理解SDN、NFV、云计算、卫星通信、激光空间通信、量子通信等技术在现代通信中的具体应用。项目分析本项目中涉及的SDN、NFV、云计算、卫星通信、激光空间通信、量子通信等新技术，有些技术的原理与思想，颠覆了传统的通信原理的认知，例如：量子通信系统中量子的很多特性，与传统的原理不同，因此，在现代通信技术知识的升级换代中，需要具有持续的学习能力和理论联系实际的职业素养。探索通信新技术项目9学习目标在已有通信原理知识的基础上，结合通信新技术的发展趋势，对信息通信的未来有一个全新的认识。课程思政从北斗卫星通信的研发与应用，引出自主创新对国家安全的重要性，引导学生创新热情的提升认知SDN任务9.1任务目标认知软件定义网络（SDN）。任务分析利用分层的思想，SDN将数据与控制相分离。通过本任务学习，理解SDN的体系结构和主要特点，结合NG-SDN，进行对照学习。9.1.1SDN的发展历程1、软件定义网络SDN是由美国斯坦福大学Clean-Slate课题研究组提出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。9.1.2SDN的体系结构SDN网络体系架构SDN是对传统网络架构的一次重构，由原来的分布式控制的网络架构重构为集中控制的网络架构。其网络体系架构由下到上（由南到北）可分为三层：转发层、控制层、应用层，如图9-1所示图9-1 SDN的体系结构图9.1.2SDN的体系结构SDN数据平面与南向接口OpenFlowSDN数据平面由一组交换机、路由器和中间件等网络设备组成。与传统网络设备的根本区别在于，SDN设备是简单的网络转发设备，没有嵌入式控制或软件来进行自主决策。数据平面中一个简单的网络设备如图9-2所示。图9-2 数据平面网络设备9.1.2SDN的体系结构SDN控制平面SDN控制平面也称为NOS，位于SDN三层架构的中间层，作为应用平面与数据平面相互联系、通信的桥梁。它向上可以通过北向接口为网络应用层软件提供底层硬件的操作抽象；向下可以通过南向接口支配和管理底层硬件。顶层应用平面的网络应用软件需要根据SDN控制器提供的网络信息执行特定的网络控制算法，并通过控制器将执行结果转化为控制命令向下转发给网络转发设备。SDN控制平面9.1.2SDN的体系结构SDN应用平面与北向接口应用平面包括应用和服务，主要对网络行为和资源进行定义、使用、控制和监视。这些应用和服务通过应用-控制接口与SDN控制平面进行交互，使SDN控制平面可以灵活地定制网络设备的行为和性能。9.1.2SDN的体系结构传统网络架构与SDN架构的比较承载网引入了SDN技术，把所有的路由器“劈了一刀”，功能一分两半，如图9-3所示。SDN的架构中路由器沦为单纯的转发节点。它的管理控制功能被剥离，全部集中在SDN控制器。同样也可以引入虚拟化技术，让SDN控制器构建在云平台上，向上层用户提供接口服务。图9-3传统网络架构与SDN架构的比较9.1.3SDN的主要特征SDN的三个主要特征为转控分离、集中控制、开放接口。（1）转控分离：网元的控制平面在控制器上，负责协议计算，产生流表。转发平面只在网络设备上，这点与实际网络系统中的框式设备有着本质不同。（2）集中控制：设备网元通过控制器集中管理和下发流表，不需要对设备进行逐一操作，只需要对控制器进行配置即可。（3）开放接口：第三方应用只需要通过控制器提供的开放接口，以编程方式定义一个新的网络功能，然后在控制器上运行即可。9.1.4SDN技术面临的挑战SDN技术面临的挑战有以下几个方面。（1）技术架构：“控制与转发相分离”的难以实现（2）设备实现：OpenFlow-Enable设备并未普及（3）接口能力：南向接口标准化进展缓慢9.1.5NG-SDNSDNv2.0的技术架构如图9-4所示，在原有的网络分层模型基础上，新一代的SDN技术强调了管理平面、运维平面的技术能力要求。从模块设计上来看，工具箱（ToolKit）模块的引入，为网络可验证和网络系统集成提供了重要支撑。在技术架构之外，SDNv2.0细化了SDN-Enable设备和SDN接口能力的技术要求。图9-4SDNv2.0技术架构

任务9.1

认知SDN任务实施（1）分析SDN产生的背景，理解SDN的体系结构，掌握三个平面，两个接口的作用。（2）分工协作，完成资料收集和学习，编写相应调研报告。认知NFV任务9.2任务目标认知网络功能虚拟化（NFV）。任务分析利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，实现网络功能虚拟化。通过本任务学习，理解NFV的标准架构，结合NFC，进行对照学习。9.2.1NFV的发展历程网络功能虚拟化（NetworkFunctionsVirtualization，NFV），一种对于网络架构的概念，利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，分别以软件方式实现，不再局限于硬件架构。NFV网络架构9.2.2NFV的标准架构ETSI定义了NFV标准架构，由NFVI、VNF以及MANO主要组件组成，如图9-5所示。NFV中包含有3个主要的工作域：虚拟化的网络功能，是指能够在NFV基础设施（NFVI）上运行的网络功能的软件实现；NFVI，包括物理资源的多样性以及这些物理资源虚拟化的方式，NFVI支持虚拟化网络工程（VNF）的执行；NFV的管理和编排，涵盖支持基础设施虚拟化的物理和软件资源的编排、生命周期的管理，以及各VNF的生命周期管理。图9-5NFV标准架构9.2.3NFV和SDN的关系SDN由应用层、控制层和基础设施层组成，其三大特征是控制转发分离、控制层进行逻辑集中控制、控制层向应用层开放API。符合这3个特征的SDN架构可能影响和改变运营商网络的方方面面，是目前通信产业非常关注的技术。NFV和SDN的关系，可以由图9-6概括。NFV与SDN来源于相同的技术基础。NFV与SDN的技术基础都是基于通用服务器、云计算以及虚拟化技术。同时NFV与SDN又是互补关系，二者相互独立，没有依赖关系，SDN不是NFV的前提。图9-6NFV和SDN的关系9.2.3NFV和SDN的关系SDN的目的是生成网络的抽象，从而快速进行网络创新，重点在集中控制、开放、协同、网络可编程。NFV是运营商为了减少CA⁃PEX、OPEX、场地占用、电力消耗而建立的快速创新和开放的系统，重在高性能转发硬件+虚拟化网络功能软件。表9-1示出的是NFV和SDN的一些对比。表9-1表1NFV和SDN的对比9.2.4NFV面临的挑战NFV技术面临的挑战与SDN技术类似，尽管经过了十几年发展，NFV技术在技术架构、设备实现、接口能力方面也面临一系列问题。（1）技术架构：NFV并未实现“网元、虚拟化平台、通用硬件”的三层解耦，仅仅实现了“软件能力”和“通用硬件”的软硬解耦。（2）设备实现：网元、NFV-I两个层面的能力存在瓶颈尽管网元设备软件化是NFV技术体系内对于VNF网元的基本能力要求，网元的“巨型化(Monolithic)”实现方式仍然对资源弹性利用造成了严重的挑战。（3）接口能力：网元与NFV-I之间接口存在互操作性难题经过3个阶段的迭代发展，ETSINFV工作组顺利完成了NFV各主要模块的接口标准化工作。尽管如此，VNF网元与NFV-I接口之间的互操作性难题仍然制约了产业的健康发展。9.2.5NFV的架构演进1、NFVv2.02019年5月，ETSINFV正式启动了NFVR4的标准化工作，这标志着NFV技术正式进入v2.0时代。NFVv2.0技术架构如图9-7所示，从分层结构模型来看，新一代的NFV在原有的“KVM+VM”基础模型之上，增加了“CaaS+Container”的基础结构，着重关注了云原生带来的基础设施能力升级。图9-7NFVv2.0技术架构9.2.5NFV的架构演进2、NFV的云化架构演进目前整体上可以将云化架构演进分为2个阶段。第一阶段：NFV，通过软硬件解耦实现将电信业务部署在通用的硬件服务器上。实现设备购买成本和维护成本降低，业务部署速度和业务创新速度提升。第二阶段：NFC(CloudNative)，通过程序数据分离，实现业务处理无状态，业务层计算能力完全池化，提升可用性。同时配合CSLB、CSDB实现业务均衡分发、各层独立弹性伸缩。通过服务化改造，实现服务级的自动部署、智能运维、快速伸缩、灰度升级。NFV与NFC的区别如图9-8所示。图9-8NFV与NFC的对比

任务9.2认知NFV任务实施（1）分析NFV产生的背景，理解NFV的体系结构，掌握NFVI、VNF以及MANO主要组件的作用。（2）分工协作，完成资料收集和学习，编写相应调研报告。认知云计算任务9.3任务目标认知云计算的概念及应用。任务分析传输IT技术存在的问题，产生了云计算。通过分析云计算的分类、服务模式、应用等方面进行分析。通过本任务学习，理解云计算的特点和关键技术，结合NFC，进行对照学习。9.3.1云计算的起源云计算在2007年被提出后，得到了快速发展。成千上万家采用云计算技术的企业兴起，传统IT巨头纷纷转型。从传统模式向云计算模式的转变主要包括如下几个方面计算和存储资源从局域网向Internet迁移，软件从终端向云端迁移，软硬件解耦，实现硬件共享。从传统模式向云计算模式的转变如图9-9所示。图9-9从传统模式向云计算模式的转变9.3.2云计算概述目前看来，云主要有以下几种分类。随着云计算的不断发展，可能会产生更多种类的云。（1）公有云：公有云通常指第三方提供商为用户提供的能够使用的云。（2）私有云：私有云为一个企业单独使用而构建，提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。（3）混合云：混合云是公有云和私有云两种服务方式的结合。（4）移动云：移动云把虚拟化技术应用于手机和平板电脑。（5）行业云：行业云是一种云平台。它由行业内或某个区域内起主导作用或者掌握关键资源的组织建立和维护，以公开或者半公开的方式向行业内部或相关组织和公众提供有偿或无偿服务。行业云又可以分为金融云、政府云、教育云、电信云、医疗云、工业云、云制造等。9.3.2云计算概述云计算包括三个层次的服务，如图9-11。（1）基础设施即服务IaaS：提供给客户的服务是对所有设施的利用，包括处理、存储、网络和其他基本的计算资源。（2）平台即服务PaaS：提供给客户的服务是把客户开发或收购的应用程序部署到供应商的云计算基础设施上。（3）软件即服务SaaS：提供给客户的服务是运营商运行在云计算基础设施上的应用程序，用户可以在各种设备上通过瘦客户端界面访问。图9-11云计算服务模式9.3.3云计算关键技术

任务9.3认知云计算任务实施（1）从各种云应用，对传统IT技术存在的问题进行分析，了解云计算的产生和特点，理解云计算的应用和关键技术。（2）分工协作，完成资料收集和学习，使用各种免费云。认知卫星通信系统任务9.4任务目标认知卫星通信系统。任务分析卫星通信系统分为：静止轨道卫星、中轨道卫星和低轨道卫星。上图同步卫星通信系统为静止轨道卫星。通过本任务学习，理解卫星通信的原理及具体应用，结合北斗系统，进行对照学习。9.4.1理解卫星系统的分类1、静止轨道卫星（GeostationaryEarthOrbit，简称GEO）：又称24小时轨道，与地球上某一点保持相对静止，轨道平面与赤道平面重合，卫星处于赤道延伸平面，距离地面35785.6km。2、低轨道卫星（LowEarthOrbit，简称LEO）：一般高度在500到900km。3、中轨道卫星（MediumEarthOrbit，简称MEO）GEO、MEO和LEO轨道形态9.4.2卫星通信的发展历程1945年5月，ArthurC.Clarke提出了静止卫星通信的设想。表9-5卫星通信发展历程阶段时间典型事件理论设想阶段1945年提出了静止卫星通信的设想卫星通信进入试验阶段（1954-1964年）

1957年前苏联发射了第一颗人造卫星（LEO）1958年美国发射了第1颗卫星首次通过卫星实现语音通信。1963年美国发射了第一颗地球同步卫星卫星初步应用阶段（1965年－1990年）1965年国际通信卫星组织发射静止轨道卫星1970年我国成功地发射了东方红一号卫星（LEO）1984年我国第一颗同步通信卫星东方红二号卫星技术被应用于卫星直接广播语言业务1990-2000年1997年，我国发射了东方红三号（正在运行）；

卫星通信被引入宽带个人通信2000-2005年多个LEO和MEO卫星系统开始投入运行

新型卫星、互联网星座2015年－今2015年，在谷歌等互联现巨头推动的下，低轨道卫星发展迅速，提出了新型卫星互联网星座计划。9.4.2卫星通信的发展历程卫星通信包括上行链路和下行链路两部分组成9.4.2卫星通信的发展历程1、

Iridium系统2、Globalstar系统3、Orbcomm系统图9-17

ORBCOMM系统星座计划图9-16铱星二代Iridium星座图9.4.2卫星通信的发展历程4、OneWeb系统5、Starlink系统6、“鸿雁”系统7、“虹云”系统图9-19Oneweb卫星图图9-20Starlink星座图9.4.4卫星通信的发展趋势1、卫星通信与5G融合2、

空天地海一体化通信3、多种功能融合4、更高频段，更大带宽卫星光通信5、智能卫星通信图9-21空天地一体化9.4.3卫星通信的主要应用1、互接长途电话和电视业务3、无线电和电视广播3、海上、地面和空中的移动通信4、基于TCP/IP的internet业务5、固定通信网络认识空间激光通信任务9.5任务目标认知空间激光通信系统。任务分析通过本任务学习，理解激光通信的具体应用场景和技术方案，结合海洋与深空不同的应用场景，进行对照学习。9.5.1空间激光通信基础1、空间激光通信概述图9-22空间——地面激光通信系统示意图9.5.1空间激光通信基础2、卫星激光通信技术特点通信速率高。无卫星电磁频谱限制，抗干扰。保密性好。体积小、重量轻、功耗低。9.5.2深空探测中的激光通信月地距地大概40万公里，如果用传统的强度调制，要500瓦的激光，这是卫星的能源系统支撑不起的，所以不具备可行性，即使用相干探测第二代也是由困难的。所以最新的技术是基于光子探测的激光通信，能把原来的灵敏度提高两到三个数量级。9.5.3海洋探测中的激光通信水下激光通信包括水下与水面通信、水下与空中通信，水下与太空通信。通过研究，发现在蓝绿光这个波段有可能实现。理论上来说，水下通信容量可达到10G，但是水对光的吸收较