宽带通信网--课程学习指导

1《宽带通信网》课程学习指导资料本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材《通信网络基础》（第2版）（李建东、盛敏、李红艳编著，高等教育出版社，2011年5月），并结合远程网络业余教育的教学特点和教学规律进行编写，适用于计算机、通信及相关专业学生。第一部分课程学习目的及总体要求一、课程的学习目的近年来，通信网络在传统的电话交换网、分组交换网、计算机通信网的基础上得到了飞速发展，出现了多种新型的网络和技术，例如，宽带综合业务网（B-ISDN）、Internet、帧中继、千兆以太网、第三代移动通信系统（IMT-2000）等等。目前正在向下一代Internet、全光网络、第4代移动通信等方向发展。尽管这些网络在形式上千差万别，但它们许多基本的原理都是相同的。本课程的主要目的就是要讨论这些网络的共性原理。希望通过本课程的学习，使学生们能够理解现在的各种新型通信网络的设计原理和依据，同时为通信专业的学生设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础。二、课程的总体要求本课程主要讨论以下问题：1)主要讨论通信网络的基本构成和协议体系、本书所需的数学基础及通信网络的基本理论问题；2)详细讨论了链路层、网络层和传输层的端到端传输协议：包括组帧、差错检测、自动请求重发（ARQ）、协议的初始化、差错控制和流量控制等；3)描述了单个排队系统的基本时延性能，并描述了多个排队队列组成的网络的时延性能，给出的分析模型是常用的网络时延模型；4)分析了多个用户共享一个信道的问题——多址技术，重点研究随机多址的基本特征（时延、通过量和稳定性）及其改进的方法；5)研究如何为数据分组选定合适的传输路径问题——路由算法，给出了常用的最短路由算法，并讨论了路由信息的广播；6)讨论了维持网络正常运行的基本手段——流量和拥塞控制，重点研究了窗口式和漏斗式流量和拥塞控制方法。7)简要讨论了通信网的拓扑设计。本课程着重从基础理论出发，详细地讨论了通信网络的基本构成、协议体系以及相关的基础理论。同时，本课程又对通信网络设计中需要考虑的各种问题进行了系统深入的理论分析，通过这种由表及里、由浅入深的过程，加深学生们对通信网络共性原理的理解。教学内容的安排综合考虑了通信网络的基础理论知识及最新发展现状，其主要目的就是要讨论这些网络的共性原理。希望通过本课程的学习，使学生们能够理解现在的各种新型通信网络的设计原理和依据，同时为通信专业的学生设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础。第二部分课程学习的基本要求及重点难点内容分析2第一章通信网络概论及数学基础本章主要讨论通信网络的基本构成和协议体系、通信网络的基本理论问题及本书所需的数学基础。通信网络由一系列的终端、链路和节点构成，它们连接在一起，能使任意两个终端的用户进行通信。典型的通信网络有：计算机网络、互联网、电信网等。随着通信网络和计算机网络技术的飞速发展，人们现在不仅可以享用传统的电信业务，如电话、传真等，还可以享用多种信息服务，如电子邮件、网上浏览、信息搜索、电子商务、网上娱乐等。如果希望在任何时间、任何地点都可以享用自己所需的信息服务，就必须要有一个通信网络作支撑。该网络能使用户通过多种传输手段连接到网络之中，并以高速骨干网为基础，实现多种类型网络的互联、互通，为不同要求的用户提供不同速率、不同服务质量、不同类型的信息传输。本章首先讨论通信网络的基本构成，接着讨论网络的分层结构，最后讨论通信网络的数学基础和应解决的基本理论问题。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容通信网络中的数学基础；通信网络的基本理论问题。（2）应掌握的内容通信网络的基本构成；协议体系及分层的概念。2、本章重点难点分析（1）重点通信网络的基本构成。（2）难点协议体系及分层的概念。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）通信网络有哪些基本要素组成？试举例列出五种常用的通信网络。（2）常用的通信链路有哪些？其主要特征是什么？（3）试简述分组交换网的要点。（4）什么叫做虚电路？它与传统电话交换网中的物理链路有何差异？（5）ATM信元与分组有何差别？ATM网络是如何支持不同种类业务的？（6）分层的基本概念是什么？什么是对等层？（7）试述OSI七层模型和TCP/IP协议体系的区别和联系。（8）一个典型的通信网络可由哪些物理子网构成？路由器在该网络中的作用是什么？（9）通信网络要研究的基本理论问题有哪些？3、本章典型例题分析例题1：设随机过程)(tX定义为：)2cos(2)(YttX，其中Y是离散随机变量，且212,21}0{YPYP。试求该过程在1t时的均值，和1,021tt时的自相关函数值。解：YttX2cos23YYXcos22cos21X(1)02P1/21/210212211XEYXtXcos201YYXtXcos22cos21222102114cos4cos2cos21022221YEYYEXXEtXtXE例题2：设随机过程)(tX是一个随机相位信号，即)cos()(twAtXc，式中A和wc为常量，q是一个均匀分布的随机变量，其概率密度函数为,21)(f。试求)(tX的均值函数和自相关函数。并讨论其平稳性和各态历经性。解：0cos2cosdtwAdftwAtXEtmccXccccccXwAdwwtwAdftwAtwAtXtXEttRcos221cos22cos21coscos,2220)(22ARtXEX显然，tX的均值为常数，相关函数仅与时差有关，且为二阶矩过程，所以该随机过程是广义平稳的。0sincos..coscos2..sinsincoscos2..cos21..TwTwAmiltdtwTAmildttwtwTAmildttwATmiltXccTTTcTTTccTTTcT4cTTcccTTTccTwAdtwwtwTAmildttwtwTAmiltXtXcos21cos22cos4..coscos2..222故tX的均值和相关函数都具有各态历经性，tX是各态历经过程。例题3：试求Poisson过程的均值函数，方差函数和相关函数。解：定义：称计数过程0,ttN是参数为0的Poisson过程，如果：（1）00N；（2）0,ttN是平稳的独立增量过程；（3）tNt,0服从参数为t的Poisson分布，,2,1,0!kektktNPtk0!1!!1110tteetktetektkektktNEttkktktkktk22tNEtNEtNDtDNttteettktettektkktNEtNtNEtNtNtNEtNEttkktktk2222202!2!111tttttDN22不妨设ts，则tsstsstssstssNEsNDsNtNEsNEsNEsNtNNsNEsNsNtNNsNEtNsNEtsRN,min00,222222,min,2tssttsRN5第二章端到端的传输协议本章详细讨论了链路层、网络层和传输层的端到端传输协议：包括组帧、差错检测、自动请求重发(ARQ)、协议的初始化、差错控制和流量控制等。物理层是为链路层提供一组虚拟的比特管道，本章将讨论在这样的比特管道上如何形成一条可靠的业务通道为上层提供可靠的服务。为了形成一条可靠的业务通道，首先解决如何标识高层送下来的数据块(分组)的起止位置，接着就要解决如何发现传输中的比特错误，最后要解决的就是发现错误后，如何消除这些错误。根据通信双方所处的相对位置不同，所采用的解决方法(协议)也不同。若通信双方之间是通过一条物理链路直接相连，这时需采用链路层的协议来解决数据帧的传输错误；若通信双方是在一个通信子网内通过多条数据链路形成的通路相连，这时需要采用网络层的端到端传输协议采解决分组的传输错误；当通信双方处于不同的通信子网时，需要采用运输层的端到端传输协议来解决报文的传输错误。本章首先讨论组帧技术、差错检测、自动请求重发的协议和典型的数据链路层协议；接着讨论网络层的端对端传输协议、IP协议；最后讨论运输层的端到端传输协议。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容链路层的差错控制技术；标准数据链路控制协议及其初始化。（2）应掌握的内容组帧技术；网络层和运输层的点对点传输协议。2、本章重点难点分析（1）重点组帧技术。（2）难点本章的难点就在于网络层和运输层的点对点传输协议。通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）常用的组帧方式有哪几种？哪一种方式的传输开销最小？（2）接收机收到了如下一个采用十六进制表示的字符串，C0C0103687DBDCDBDCDCDDDBDDC07C8DDCDBDCC0，试根据SLIP帧格式恢复出接收的帧。（3）针对输入序列01101111100111111010111111111101111010应用2.1.2节的比特插入技术，给出相应的输出结果。如果接收到的序列为：011111101111101100111110011111011111011000111111010111110,试移去插入的比特并指出Flag的位置。（4）设有一个奇偶校验码由3个数据比特和4个校验比特组成。假定3个码字分别为1001011,0101101和0011110。试求产生该码的运算规则，并写出所有8个码字。并求出该码的最小距离（两个相同长度的码字之间的距离定义为两个码字比特取值不同的位置数）。3、本章典型例题分析例题1：令1)(24DDDDg，1)(3DDDS，求)()(4DgDSD的余数。解：324345734411DDDDDDDDDDDDSD6334567334567240001DDDDDDDDDDDDDDDDgDSD4余数为3D例题2：试证明停等式ARQ的序号可采用模2表示。证：根据停等式ARQ协议，当序号采用模2表示时仍可正常运行。描述如下：发端A：（1）置SN＝0；（2）若从高层接收到一个分组，则将SN指配给该分组，若没有分组则等待；（3）将第SN个分组装入物理帧中发送给接收节点B；（4）若从B接收到RN≠SN，则将SN模2加1，返回（2），若在规定时间内，并未收到B的RN≠SN的应答，则返回（3）。收端B：（1）置RN＝0；（2）无论何时从A端收到一个SN=RN的分组，将该分组传送给高层，并将RN模2加1；（3）在接收到分组的规定有限时长内将RN放入一帧的RN域发送给A，返回（2）。例题3：在停等式ARQ中，设重发分组之间的间隔为rT（包括分组传输时间、传播时延、等待应答时间和处理时延等），分组正确接收的概率为，试证明最大的可传送的分组到达率rTmax。解：设任意一个分组平均需要发送N次才能成功，而一个分组发送i次成功的概率为11