第1章 通信网概述.ppt

1、通信网基础,第一章 通信网概述,无线通信与网络研究室,课程意义,课程意义,课程意义,IT是研究生物、人类和计算机等如何获取、识别、转换、存储、传递、再生以及控制掌握各种信息的规律及其应用的科学技术。 信息、生物、新材料是本世纪初产生革命的热点。,通信网的概念,1946，第1次提出通信理论，第1台计算机的出现； 1948，发表“通信的数学理论”，奠定“香农信息论”的基础 1948，维纳出版“控制论”一书。 信息技术产生了,通信网的概念,IT包括：微电子、计算机及软件、通信、光电子、人工智能、信息的获取与应用技术。 微电子是细胞，通信网是神经网络，计算机是大脑、软件是灵魂。 信息与通信的关系,通信

2、网的概念,通信网的概念,通信网的概念,通信网络的历史和发展,通信网络的历史和发展,通信网络的历史和发展交换,交换的引入,无交换的多终端间通信,引入交换的多终端间通信,多个交换节点组成的网络,交换网络的历史,通信网络的历史和发展交换,交换节点的基本功能,交换节点接续类型示意图,交换方式,电路交换技术,面向连接：通信前建立连接，通信后拆除连接，通信期间不管是否有信息传送，连接始终保持。,电路交换的特点,电路交换的优点 时延小，通信质量有保证 控制简单 电路交换的缺点 呼叫建立需要时间 每个连接带宽固定（不能适应不同速率的业务） 不传信息时也占用资源（不适用于突发业务）,分组交换技术,无连接：不需要

3、事先建立连接就可进行通信的方式。,优点 带宽可变，灵活 统计复用，资源利用率高 一个用户可以同时进行多个通信 如发E-mail，通话，下载文件可同时进行 缺点 网络功能复杂 话音传输时延大，QoS难以保证,分组交换技术特点,通信网络的历史和发展复用,通信网络的历史和发展多址接入,通信网络的历史和发展协议与分层,邮政系统的分层协议模型,通信基本靠吼？,通信对于人类社会来说是必不可少的，它是联系人类社会各组成要素的重要手段。,通信几乎无限增长 “目前一天内全世界的电话量就超过了1984年全年全世界的电话量”,通信业飞速发展,通信网络的历史和发展,信息移动化,通信网络的历史和发展,信息移动化：移动I

4、P,3GPP、3GPP2、IETF、 MWIP、3G.IP等 提出全IP的无线网 目前提出的4G、beyond 3G或者未来的移动通信系统都是基于全IP网络,33,通信网络的历史和发展,网络融合化,演进,一个业务建一个网络 多个业务建多个网络,一个统一网络平台 同时提供多种业务,通信网络的历史和发展,网络融合化,电信界、IT界几十年的愿望能否实现 ？,电信的发展是先有电报后有电话，电报网基于数字技术而电话网是从模拟起步的。 利用载波电报的方法在话路内可同时传送24路电报，独立的公用电报网就失去了存在的必要性，这可以说是后者综合了前者业务从而取代了前者。 电话网实现了对数据业务的综合，传真作为一

5、种数据业务在电话网中得到很好的应用。就20世纪70年代可利用的业务而言，电话网称得上是多业务的综合网。,通信网络的历史和发展,电话网最早的综合网,随着数据业务的发展超过了话带可能支持的能力，专用数据网应运而生，但仍希望电话网能扩展，继续支持数据业务。 只要解决接入数字化，就可把数字化的工作在终端内完成，从而省去了交换机入口的模数转换，更重要的是接入能力不再受限于模拟话路3003 400 Hz带宽，打开了接入“瓶颈”，这是综合业务数字网（ISDN）提出的动机。 端到端数字化的方向无疑是正确的，但可惜当时未预见到光纤将会很快用到接入网，而且对金属用户线能力的理解拘泥于4 km长度下求最优的问题（金

6、属用户线的传输能力是与长度成反比的） 因此ISDN既未达到综合所有业务的目的，也未动摇传统电话网的地位，其进程推广缓慢，为Internet（因特网）的发展留下了充足的时间。ISDN还未来得及辉煌，就让出了历史舞台。,ISDN好景不长的综合业务数字网,通信网络的历史和发展,90年代初，ITU希望新设计的B-ISDN能够兼蓄电路交换与分组交换之所长，成为未来的目标网。采用定长的分组 信元，定位于同时支持电话、数据、视像和多媒体业务。 兼顾实时和非实时业务的方式使得它虽能同时支持电话与数据，但又都不是最佳的。复杂的流控管理和信令协议使得ATM交换机在得到好的性能的同时付出成本的代价，尤其是ATM终端

7、成本居高不下，IP（因特网协议）的成功使B-ISDN信元到桌面的初衷落空。 B-ISDN就其目标而言已经失败，不是说它不能支持综合业务，而是说对各单一业务而言，B-ISDN未显出有胜于已有的单一业务网的优势，其QoS长项也因其成本而打折。 ISDN和B-ISDN的提出不能说没有考虑市场需求，但包打天下的理想主义色彩太浓,B-ISDN半路夭折的宽带综合业务数字网,通信网络的历史和发展,38,Internet的成功看似无心插柳，但其支持非实时数据业务的定位使其选择了相适应的技术-TCP/IP。 它对承载层性能的低要求使它对现有的各种传送系统的适应性很强，它的“尽力而为”的运行机制使网络资源得到充分

8、利用，它有别于传统电信的收费模式既刺激了用户又可简化计费要求。 IP起步时定位单一，标准不成熟，经过不断改进，步步为营，终于取得实地，就现在看IP并非理想的技术，但它无处不在已既成事实。这使IP不仅稳座在支持数据业务的首选协议之位，而且VoIP的实践加快了IP向其他业务扩展的步伐。,Internet的成功经验,通信网络的历史和发展,39,通信网络的历史和发展,移动通信的换代,通信网络的历史和发展,WPAN / WLAN / WMAN,通信网络的历史和发展,42,NGN与NGI,通信网络的历史和发展,43,物联网 (Things of Internet) 理念：人-人、人-物、物-物 关键技术：

9、IPv6、云计算、M2M、RFID、传感器、异构 应用：智能电网、远程医疗、智能交通、环境监测 ,通信网络的历史和发展,通信网的类型,通信网络的理论及技术,理论基础 主要业务网 基本技术要素 网络设计要素,理论基础,网络拓扑学 网络的连通性，最短树，最大流等静态理论 一般不考虑网络实际流量的随机特性 基础理论为图论 网络控制理论 控制论、正反馈、负反馈、动态控制、动态路由 网络优化理论 网络资源分配与流量控制 基础理论为最优化理论，包括线性/非线性规划等 网络性能分析理论 主要讨论网络的阻塞率、时延、通过率等用户的QoS 主要考虑业务的随机性对网络性能的影响 基础理论为应用概率论、随机过程、运

10、筹学及排队论,主要业务网,主要业务网,基本技术要素,基本技术要素,基本技术要素,基本技术要素,网络设计要素,网络设计要素,网络设计要素,网络设计要素,网络设计要素,课程主要内容,课程定位 理论分析的重要性 分析手段 课程章节 课程参考教材 考评方式,课程定位,课程定位,“一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。” 马克思 “在任何特定的理论中，只有其中包含数学的部分才是真正的科学。” 康德,名人名言,先修课程,先修课程,理论分析的重要性,网络的拓扑结构 好的拓扑结构有利于负载均衡。 网络的路由机制和流量控制(信令) 网络越来越复杂，网管信令开销的影响不可忽视。 网络可提供的资

11、源(带宽、缓存、功率等) 网络资源（带宽/缓冲器）是有限的、共享的。 业务量 网络的设计（平均）容量永远大于（平均）需求， 如果业务需求是确定性的，网络不会发生拥塞。 业务模式 业务需求的随机性、特别是突发性会造成网络资源的浪费。,理论分析的重要性,引入概率模型的需要 引入图论的需要 引入排队论的需要 通信网的可靠性问题 通信网的最优化问题,引入概率模型的必要性,业务需求的产生是随机的、突发的 业务所需要的服务时间是随机的 有时甚至可得到的网络资源也是随机的 业务和信源都是随机的，随机性可能随时间变化，但有统计规律。因此有必要，也可以用概率模型来进行分析 概率模型只是对实际业务的理想化/近似,

12、普通电话呼叫的随机特性,拨号上网请求特性的随机特性,电话持续时间的随机特性,拨号上网用户占线时间的随机特性,引入图论的必要性,网络拓扑结构分析是很基本，也是很重要的问题 拓扑结构是通信网规划、优化和设计的第一层次问题 通信网的拓扑结构可以使用图论的模型，分析的主要问题为最小支撑树、最短路径和网络流量安排等问题,图论的应用,图论作为组合数学的分支，近年来得到较快发展 图论已日益广泛的地应用于各种网络、电路分析、可靠性设计、集成电路设计，以及计算机领域,一个经典图论问题七桥问题,引入排队论的必要性,业务流量总是随机的，而网的性能必须从研究这种随机性出发来计算 网内业务分析的理论基础主要是排队论,简

13、单的排队模型,综合网络/集中排队,分散网络/集中排队,分散网络/独立排队,通信网的排队模型,引入可靠性理论的必要性,可靠性理论在近代科学技术中十分重要 任何设备，不管性能有多好，只要不可靠，可以说是毫无应用价值 在通信网中，可靠性的重要程度可能比其他设备更显著 通信的中断意味着信息的丢失或延误，其影响和损失是不可估量的，尤其在军事通信中表现的更为突出,引入最优化理论的必要性,我们真的需要QoS吗？ No,引入最优化理论的必要性,我们真的需要QoS吗？ Yes,引入最优化理论的必要性,我们需要什么样的QoS？,通信网的优化,在通信网的整体问题中，最主要的实际问题是网的控制、规划和设计 这些问题都

14、属于网的优化，也就是在力求保证质量指标下，尽可能减少费用，关键也可说在于提高网资源的利用率,通信网的优化,适当的控制不仅是网络能正常运行的必要条件，而且也是提高网的运行质量和资源利用率的主要手段 例如通过路由控制，包括迂回路由的选择和调整，可减小阻塞，提高电路利用率 又如通过流量控制，可在信息转接网中减小时延，加速传输，对用户公平等效果，也可提高网资源的利用率,通信网的优化,合理的规划和设计，不但可减少建网投资，也是高效利用网资源和使网便于扩展，便于维护和能优质运行的前提 例如网结构的选择，电路容量的配置，都对网的投资、维护和扩展，起着重要的作用,分析手段,现场试验 最贴近实际网络，可以直接推

15、广应用 多用于商业化运作之前的实际检验 开销巨大，试验周期长 计算机仿真 简便易行，比较接近实际网络 多用于复杂网络性能的评估和验证 难以得到一般性结论，且稀疏事件难以仿真 理论分析 简便易行，且容易抓住问题的实质 多用于简单网络的性能预测和评估规划 需要引入近似，且难以应用到大规模复杂网络 无论是现场试验还是计算机仿真，都需要理论分析作为指导。,课程章节,第1章：通信网概述 第2章：随机过程与排队论基础 第3章：爱尔兰拒绝与等待系统 第4章：通信网的性能分析 第5章：通信网的结构 第6章：通信网的可靠性分析,课程章节,第2章：随机过程与排队轮基础 泊松过程、泊松过程和负指数分布的关系、生灭过程、排队论基本概念、M/M/1排队系统 第3章：爱尔兰拒绝与等待系统 基本概念、爱尔兰即时拒绝系统、爱尔兰等待制系统、一般混合制的M/M/s(n)系统 第4章：通信网的性能分析 基本概念、重复呼叫流、溢出呼叫流、电话网络平均呼损的计算、数据网络的平均时延,第5章：通