《通信原理》_樊昌信_曹丽娜(第六版)第14章_通信网

1通信原理2通信原理第14章通信网3第14章通信网14.1概述通信网是在多点之间传递信息的通信系统。通信网的基本组成部分终端设备：包括电话机、传真机、电台、计算机等发送和接收信号的设备。通信链路：定义在一定的频域和空域，它占用给定的频带和物理空间。链路可以被时分复用或频分复用。交换设备：按照信令将通信链路传来的信号转接到另一条链路的设备。有些通信网中还包含转发设备。4第14章通信网通信网的分类按照功能区分电报网、电话网、电传(Telex)网以及电视网等等。综合业务数字网(ISDN)窄带综合业务数字网(N-ISDN)宽带综合业务数字网(B-ISDN)移动通信网：蜂窝网按照拓扑结构区分网形：网形网的任意两个节点之间都有一条链路直接相连。所以若网中共有N个节点，则需要N(N-1)/2条链路连接。当N增大时，所需链路数目将急剧增加，故经济性较差。但是，若各节点有转发功能，则可靠性大为增加。5第14章通信网星形网：在星形网中，若共有N个节点，则共需(N-1)条链路；除中心节点外，其他节点之间的通信都需要经过中心节点转接。故在中心节点处需要有交换设备为其他各个节点转接信号。和网形网相比，星形网需要的链路数目减少了，但是需要增加交换设备。环形网环形网所需的链路数目N等于节点数目，并且每个节点都需要有转发功能。在这里，任意两个节点之间都有一条迂回链路，所以可靠性比星形网高。但是，在某些节点之间可能需要多次转发，这个因素又会使传输时延增大和可靠性下降。6第14章通信网总线形网在总线形网中，利用一条“总线”连接所有节点。由于所有节点共用这条总线，即总线同时只能为两个节点服务，所以它主要用于分时工作的计算机局域网中。由于总线形网和环形网的上述特点，当网中节点数目较大时，可能使信号传输的时延较长。这两种网主要适合用于节点数目较少的计算机网中。复合形网复合形网是上述几种基本型网的组合。根据对网络的性能要求，常将几种基本型网结合使用，以求达到技术和经济指标优化的目的。7第14章通信网14.2电话网14.2.1电话网的结构组成：由终端设备（电话机）、传输线路和交换设备组成。分类：专用交换电话网公共交换电话网(PSTN)下面以公共网为例，介绍其结构和功能。8第14章通信网PSTN的拓扑结构示意图国际电路用户线中继线国际局C1C2C3C4端局汇接局电话机本地网国内长途网国际长途网9第14章通信网本地电话网：是指在一个统一号码长度的编号区内，由电话机、用户线、用户端局（简称端局）、汇接局、局间中继线和长话-市话中继线组成的电话网。各用户的电话机经过用户线接到端局。在一个端局内的线路一般构成星形网。在端局中的用户交换机用于按照呼叫用户的信令连接被呼叫用户。汇接局则汇聚各端局的连接，并与其他汇接局连接。各端局和汇接局之间用局间中继线连接。长话-市话中继线则用于将本地电话网和国内长途电话网相连接。中继线一般是大容量电缆，用于传输时分复用PCM信号。10第14章通信网国内长途电话网：是指全国各市（县）间用户进行长途通话的电话网，网中各市（县）都设一个或多个长途电话局。各长途局间由长途电话线路连接起来。国内长途电话网的结构在我国采用分级汇接制，它包含4个等级的交换中心，即大区交换中心（C1），省交换中心(C2)，地区交换中心(C3)和县市交换中心（C4）。分级汇接制在图中显示为树状结构。但是不排除个别的跨区连接，如图中虚线所示。11第14章通信网国际长途电话网：是指将世界各国的电话网相互连接起来进行国际通话的电话网。为此，每个国家都需设有一个或几个国际电话局。国际长途通话实际上需要经过通话双方国内电话网和国际电话局，以及国际电路等几部分进行的。12第14章通信网14.2.2电话网中的交换电路转接方法：用于早期的电话网双向交换矩阵不适宜用于数字电路单向交换矩阵和双向交换矩阵相比，这种单向交换矩阵中的开关数目要加倍。用户2用户4用户6用户8用户1用户3用户5用户7用户9用户2用户4用户6用户8用户1用户3用户5用户7用户9用户3用户1用户2用户4用户5用户6用户7用户8用户9（入线）（出线）13第14章通信网时分数字交换技术由于数字通信技术的发展，在交换设备中目前一般采用时分数字交换技术。这时，被交换的信号是数字信号。若由用户线路输入的是模拟信号，则首先应将其数字化，再进行交换。交换后，再经过数/模变换，变成模拟信号送回用户。在数字交换设备中，均采用时分复用PCM体制。这样，只需将分配给各用户的时隙位置搬移，即可达到交换的目的。时隙的搬移，虽然在原理上可以用时延的方法实现，但是在实际中时隙交换器通常是用随机存储器(RAM)完成的。上述两种方法中，前者用开关矩阵实现交换的方法常称为空分交换，后者则称为时分交换。空分交换时刻保持连接通信两端用户的线路处于持续接通状态。时分交换则不然。14第14章通信网14.2.3电话网中的信令信令的用途：在电话网中，交换设备是根据用户发来的信令控制接通哪一条或几条电路的。信令的分类：用户信令和局间信令：用户信令：从用户发到端局的信令，它规定了要求呼叫的终端目的地。局间信令：在各局和各中心之间传输的信令，它根据用户信令的要求按照网络的构成决定着信号通过的链路。模拟信令和数字信令：公共电话网中模拟信令：由电话机到端局之间的用户线一般都是模拟线路，所以用户信令都是模拟信令。数字信令：局间中继线都是数字线路，故局间信令是数字信令。15第14章通信网用户信令：拨号脉冲：由机械（拨号盘）或电路产生直流脉冲，用脉冲的数目表示电话号码，其工作原理见下图。当挂机时，用户直流线路处于断开状态，电压为0。当用户摘机后，直流线路接通，电压为正。若拨号“4”，则线路上发出4个脉冲。每个脉冲占100ms时间，其中0电压约占66ms，正电压约占33ms。脉冲数目等于拨号数字，但拨号“0”时发出10个脉冲。故发送每个数字平均需用0.55s时间。当电话号码较长时，拨号费时太长。另外，它易受脉冲干扰，发生错误。66ms33ms摘机挂机拨号“4”拨号“3”0V16第14章通信网双音多频(DTMF)信令：DTMF信令是从8个不同频率的单音中选取两个表示1位数字，见下表。它共有16组频率组合可用。由于用DTMF发送每位数字仅需约0.08s的时间（包括数字间隔时间），速度较快。1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123备用770Hz456备用852Hz789备用941Hz*0#备用17第14章通信网局间信令：随路信令(CAS)：是指信令和用户信息（语音）在同一信道中传输的信令。R2信令是一种基于E-1时分复用系统的随路信令。在E-1系统中时隙TS16被预留用来传递这种信令。共路信令(CCS)：将呼叫控制信息和其他业务信息通过一个独立的信令网络传输。SS7信令为一种共路信令。它比R2信令更高效，更可靠。SS7信令的标准化程度要比R2信令好。18第14章通信网呼叫和通话过程举例应答复原启动拆线复原用户信令用户信令局间信令呼叫复原拨号音拨号准备好启动送出电话号码应答振铃回铃音或忙音摘机监听挂机监听通话摘机挂机通话通话tttt10s3min端局A端局B19第14章通信网14.2.4电话网的性能指标话务量：电话网中负担的业务量多少由话务量衡量，它分为流入话务量A：其定义是单位时间（1h）内平均呼叫次数和每次呼叫平均持续（占用线路）时间h之积，即式中，h的单位是h/次，的单位是次/h，故A是无量纲的。而A的单位则称为爱尔兰。流入话务量表示每小时中平均线路占用时间。成功话务量：成功话务量A0的定义是单位时间（1h）内呼叫成功次数0和每次呼叫平均持续（占用线路）时间h之积，即)(ErlhA)(ErlhA0020第14章通信网呼损率由于一般的通信网并不能保证所有呼叫都能够成功地被转接到对方用户，所以必然会有少量的呼叫失败，即发生“呼损”。呼损率则是指损失的话务量(A–A0)与流入话务量A之比，即成功话务量和呼损率之间的关系为由上式可见，呼损率越小，成功话务量越大。一个电话网的流入话务量决定于客观需求，在设计电话网时应该将流入话务量作为给定条件之一。呼损率和电话网的设计能力有关，例如交换机和中继线等设备的容量都直接和呼损率有关。设备容量越大，呼损率越小，但是投资和运行费用也大。00AAAB)1(0BAA21第14章通信网14.3数据通信网14.3.1概述数据通信网的分类按照覆盖范围区分：局域网：局域网的覆盖范围较小，一般在一幢建筑物或一个庭院的范围。城域网：城域网的覆盖范围为一个城市，一般约在50km范围以内。广域网：广域网的覆盖范围则可达几千千米。个（人区）域网：近年来新出现的，它的覆盖范围一般在一间室内；由于采用无线传输方式，所以又称为无线个域网(WPAN)。22第14章通信网按照传输方式区分：无线数据通信网：在无线数据通信网中目前发展最快的是无线局域网。有线数据通信网按照用途区分：专用数据网公共数据网：公共数据网在概念上包括增值网和信息交换网。增值网是在数据通信的基本业务上附加了新的通信功能或业务，使其原有价值增高。例如，增加电子函件、语音信箱、可视图文、电子数据交换(EDI)、在线数据库检索、因特网、虚拟专用网、“800”号受方付费业务、“200”号电话呼叫卡业务等。23第14章通信网14.3.2数据通信网的组成电路交换和信息交换电路交换：它的特点是在用户之间建立一条连接通路，以直接传递信号。电路交换时，在两个用户通话的持续时间内，需要有一条通信电路始终保持在为他们连接的状态，不论他们是否正在讲话。平均而言，在通话时间内，一个用户收听和讲话的时间各占一半，再考虑到找人等待时间和讲话时的间隙，实际发送话音的时间只占不到40%。所以多一半时间是空闲的。这是很大的资源浪费。24第14章通信网信息交换：一个通路可以被多个用户发送的信息分时利用。所以通路的时间利用率可以大为增加。由于交换设备需要将收到的数据格式变成适合传输的格式，在数据到达接收端前再将其格式变成适合接收端的格式，所以收发两端设备所用的数据格式可以不同。由于信息交换是按照“存储-转发”方式工作的，交换设备将收到的数据先存储起来，等到有通路可以利用时才转发，所以有一定的时间延迟。信息交换又分为报文交换：将整个报文一次转发，由于其长度可能很长，所以，其存储时间也可能很长，从而造成时延可能很大。分组交换：首先将消息在交换设备中分成长度相等的短的分组（或称“包”），例如1000b为一个分组，然后再传输。故延迟时间很小，目前应用广泛。25第14章通信网面向连接和无连接面向连接的数据通信网：通信双方的终端之间必须有线路连接，才能通信。此连接可以是通过呼叫建立的；也可以是永久性或半永久性的专线连接。无连接的数据通信网：通信双方终端之间不需要有线路连接。这时是采用信息交换方式，将数据分组发出。由于一个消息被分成若干分组后，每个分组在网络中的传输路由可能不同，所以各组不一定按原顺序到达接收端。因此，在发送端交换设备中除了要在消息上加上发送目的地的地址外，还需要将每组消息按照先后次序编号，在接收端交换设备中需要按照编号排列各组的次序，再将完整的接收消息送给终端用户。所以分组交换的实现过程比较复杂的。若所有分组都经过同一路由传输并用同一方式处理，则可以设想在收发终端之间好像存在一个虚拟信道，称为虚信道，又称为逻辑信道，并将这种通过虚信道的连接称为虚连接。26第14章通信网通信协议数据通信需要将数据分组、编号、加上纠错编码和目的地址等。终端和交换设备完成这些步骤时必须遵守一些规定。这些规定称为通信协议。通信协议，也称通信规程。这两个名词是通用的。为了制定一个通用的通信协议，需要将复杂的通信过程分成一些层次，每个层次承担一定的任务，并为每个层次制定相应的协议。我们