第1章 通信网概述(修订)

通信网基础第一章通信网概述无线通信与网络研究室李屹博士2课程意义3课程意义4课程意义5•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6•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7•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网的概念8通信网的概念9通信网的概念10通信网络的历史和发展11通信网络的历史和发展12通信网络的历史和发展—交换13交换的引入14无交换的多终端间通信15引入交换的多终端间通信16多个交换节点组成的网络17交换网络的历史18通信网络的历史和发展—交换19交换节点的基本功能20交换节点接续类型示意图21交换方式23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）25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26通信网络的历史和发展—复用27通信网络的历史和发展—多址接入28通信网络的历史和发展—协议与分层29邮政系统的分层协议模型30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31通信网络的历史和发展信息移动化全球移动和Internet用户量发展情况65.2105.6155.3209.8228.2254.10.33.722.455.665.979.3050100150200250300200020012002200320042005年份用户数（百万）移动用户移动互联网用户32通信网络的历史和发展信息移动化：移动＋IP•3GPP、3GPP2、IETF、MWIP、3G.IP等提出全IP的无线网•目前提出的4G、beyond3G或者未来的移动通信系统都是基于全IP网络3333通信网络的历史和发展网络融合化信令网PSTN话音网无线网ISP网目前各网络分离存在综合承载网络PSTN接入无线接入ISP接入多种业务接入增值业务网络控制点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34通信网络的历史和发展网络融合化70年代80年代90年代目前基于电路交换综合业务数字网ISDN互联网基于路由器技Internet基于ATM技术综合业务数字网B-ISDN宽带???下一代网络NGN电信界、IT界几十年的愿望能否实现？35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36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300～3400Hz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4km长度下求最优的问题（金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37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3838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3939通信网络的历史和发展40移动通信的换代通信网络的历史和发展41WPAN/WLAN/WMAN通信网络的历史和发展4242NGN与NGI通信网络的历史和发展43通信网的类型44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45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、运筹学及排队论46主要业务网47主要业务网48基本技术要素49基本技术要素50基本技术要素51基本技术要素52网络设计要素53网络设计要素54网络设计要素55网络设计要素56网络设计要素57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58课程定位59课程定位60“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61先修课程62先修课程63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。64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65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66普通电话呼叫的随机特性67拨号上网请求特性的随机特性68电话持续时间的随机特性69拨号上网用户占线时间的随机特性70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71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72一个经典图论问题——七桥问题73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74简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75通信网的排队模型76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77引入最优化理论的必要性我们真的需要QoS吗？——No78引入最优化理论的必要性我们真的需要QoS吗？——Yes79引入最优化理论的必要性我们需要什么样的QoS？80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81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82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83分析手段现场试验最贴近实际网络，可以直接推广应用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。84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85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86第5章：通信网的结构图论基础、最短路径问题、网络流量问题第6章：通信网的可靠性分析网络的可靠性概述、可靠性理论基础、基于连通性的通信网可靠度、端间可靠度、综合可靠度课程章节87本课程的参考教材[1]苏驷希，《通信网性能分析基础》，2006年，北京邮电大学出版社[2]石文孝，张丽翠，胡可刚，《通信网理论基础》，2001年，吉林大学出版社[3]樊平毅，冯重熙，《现代通信理论基础（中册）——网络理论》，2007年，清华大学出版社88考评方式作业：20%期中考查(闭卷)：20%期末考