通信概论.docx

通信基础知识 基本概念：通信的定义 通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。以各种通信技术，如以长途和本地的有线电话网（包括光缆、同轴电缆网）、无线电话网（包括卫星通信、微波中继通信网）、有线电视网和计算机数据网为基础组成的现代通信网，通过多媒体技术，可为家庭、办公室、医院、学校等提供文化、娱乐、教育、卫生、金融等广泛的信息服务。可见，通信网络已成为支撑现代社会的最重要的基础结构之一。
通信的定义：通信是传递信息的手段，即将信息从发送器传送到接收器相关概念：
信息：可被理解为消息中包含的有意义的内容。
② 消息：消息是信息的表现形式，消息具有不同的形式，例如符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。
③ 信号：信号是消息的载体，消息是靠信号来传递的。信号一般为某种形式的电磁能（电信号、无线电、光）。
通信的目的：通信的目的是为了完成信息的传输和交换

一般模型 通信系统是以实现通信为目标的硬件，软件以及人的集合。

① 信息源：把各种可能消息转换成原始电信号；
② 发送设备：为了使原始电信号适合在信道中传输，对原始电信号变换成与传输信道相匹配的传输信号；
③ 信道：信号传输的通道；
④ 接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号；
⑤ 收信者：将复原的原始电信号转换成相应的消息；

通信系统的分类
① 按消息的物理特征：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统
② 按调制方式分：基带传输系统、频带传输系统（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）
③ 按信号特征分：模拟通信系统、数字通信系统
④ 传输媒质（信道）分：有线通信系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线通信系统（长波、中波、短波、微波、卫星）
⑤ 按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用
⑥ 按工作频段分类：长波通信，中波通信，短波通信，微波通信       
通信系统性能指标
有效性。指通信系统传输消息的 “速率”问 题，即快慢问题。
可靠性。指通信系统传输消息 的 “质量”问 题，即好坏问题。
适应性。指通信系统适用的环境条件。
经济性。指系统的成本问题。
保密性。指系统对所传信号的加密措施。这点对军用系统尤为重要。
标准性。指系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。
维修性。指系统是否维修方便。
工艺性。指通信系统各种工艺要求。
通信网络的定义
通信网络是把多台具有独立功能的通信终端通过通信设备和线路连接起来，再配有相应的软件，以实现资源共享和相互通信的系统。
一个简单的通信网至少由3部分者组成:
①末端设备(又称用户设备)：用户与通信网之间的接口设备，可把用户的消息与收发的电信号相互转换。
②传输系统：传输电信号的信道，包括有线、无线、光缆等线路。
③交换设备：在终端之间和局间进行路由选择、接续控制的设备。为使全网能合理协调工作，还要有各种规定，如质量标准、网络结构、编号方案、信令（也称信号）方案、路由方案、资费制度等。
通信网的分类：
1、按拓扑结构分类：星形网，树形网，环形网，总线形网，网形，复合形
2、信息交换分类: 分组交换网，电路交换网
3、按通信介质分类：导线介质网，无导线介质网
4、按地域或覆盖范围分类：广域网，城域网，局域网
5、按功能特点分类：电话通信网，移动通信网，数据通信网，智能网，支撑网用户接入网
有线通信
一种通信方式，狭义上现代的有线通信是指有线电信，即利用金属导线、光纤等有形媒质传送信息的方式。光或电信号可以代表声音，文字，图像等。
特点：一般受干扰较小，可靠性，保密性强，但建设费用大
无线通信
无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。
无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信
应用：
无线通信这一技术已深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常使用的手机、无线电话等，其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视都是21世纪最热门的无线通信技术的应用。
特点：1.空间传播、投资小、见效快、经济实用、灵活快速；2.多种传播手段传播各类业务；
3.受环境因素影响较大；4.容易受到截获和窃听。
现代通信概论要掌握的4个内容：基本概念 基本特点 基本原理 基本构成
通信是追求信源与信道的最佳统计匹配问题（北邮）
通信系统是追求有效性和可靠性的平衡（美国
通信系统的核心是信号设计（清华）
信道的传输特性和噪声干扰特性是设计通信性系统要考虑的首要问题
编码的调制是解决有效性与可靠性这对矛盾的（北交）
数据网络——计算机网络

OSI模型，即开放式通信系统互联参考模型(Open System Interconnection)
名称
功能
协议
基本单位
物理层
通过物理链路从一个节点向另一个节点传送比特流，为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。
EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、IEEE 802.3等
比特（bit）
数据链路层
通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。
IEEE 802.1、ATM、HDLC、PPP、帧中继等
帧（frame）
网络层
通过路由选择算法，为报文或分组通过通信子网选择最适当的路径。
IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP等
包（packet）
传输层
向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输。
TCP、UDP、SPX等
报文（message）
会话层
向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法并进行管理。
NFS、SQL、NETBIOS、RPC等
报文（message）
表示层
处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密。
JPEG、MPEG、ASII等
报文（message）
应用层
直接向用户提供服务，对软件提供接口以使程序能使用网络服务。
HTTP、FTP、SMTP、DNS、TEINET等
报文（message）
TCP/IP网络
OSI
TCP/IP
地址
TCP/IP主要协议
应用层、表示层、会话层
应用层
DNS
TEINET、DNS、SNMP、FTP、TFTP
传输层
传输层
端口
TCP、UDP
网络层
网络层
IP地址
IGMP、ICMP、IP、ARP、RARP
数据链路层
数据链路层
MAC地址
底层网络协议
物理层
物理层

原理：下面以采用TCP/IP协议传送文件为例，说明TCP/IP的工作原理，其中应用层传输文件采用文件传输协议（FTP）。TCP/IP协议的工作流程如下：
●在源主机上，应用层将一串应用数据流传送给传输层。
●传输层将应用层的数据流截成分组，并加上TCP报头形成TCP段，送交网络层。
●在网络层给TCP段加上包括源、目的主机IP地址的IP报头，生成一个IP数据包，并将IP数据包送交链路层。
●链路层在其MAC帧的数据部分装上IP数据包，再加上源、目的主机的MAC地址和帧头，并根据其目的MAC地址，将MAC帧发往目的主机或IP路由器。
●在目的主机，链路层将MAC帧的帧头去掉，并将IP数据包送交网络层。
●网络层检查IP报头，如果报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该IP数据包；若校验和与计算结果一致，则去掉IP报头，将TCP段送交传输层。
●传输层检查顺序号，判断是否是正确的TCP分组，然后检查TCP报头数据。若正确，则向源主机发确认信息；若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息。
●在目的主机，传输层去掉TCP报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给应用程序。这样目的主机接收到的来自源主机的字节流，就像是直接接收来自源主机的字节流一样。
*地址：(1) IP地址的概念
除了标识各个设备的物理地址(包含在NIC中)之外，因特网还需要标识主机连接到所在网络的一个地址，这个地址称为IP地址。这个IP地址可以唯一地确定Internet上每台计算机及每个用户的位置。在IPv4中，IP地址由4字节32位(bit)构成，包括网络号和主机号两部分。32位的IP地址常写为4个十进制数，相互之间采用“.”隔开。
IP地址分为ABCDE五类，如图所示。最左侧字节的8位的高位用于区分网络的类型。

A类地址:网络号为1字节，定义最高位为0，余下7位为网络号，主机号则可有24位编址。表示的IP地址范围为0.0.0.0-127.255.255.255。其中10和127为特殊地址， 127为本机测试保留， 10作为私有地址保留，因此共有126个A类地址可分配。每一个A类地址可容纳16777214台主机。
B类地址:网络号为2字节，定义最高二位为10，余下14位为网络地址，主机号则可有16位编址。共有16384个不同的B类网络，范围为128.0.0.0- 191.255.255.255。每一B类网络可容纳65534台主机。
C类网:网络号为3字节，定义最高三位为110，余下21位为网络号，主机号仅有8位编址，共有2097151个C类网络，范围为192.0.0.0-223.255.255.255。每一C类网络可以容纳254台主机。
D类网:不分网络号和主机号，定义最高的四位为1110为D类网址识别符，表示一个多播地址，即多目的地传输，可用来识别一组主机。范围为224.0.0.0-238.255.255.255。
E类地址:保留，范围为240.0.0.0-247 .255.255.255。
应用：
TCP/IP协议是因特网（Internet）（包括大多数局域网（LAN）、城域网(MAN)、广域网（WAN））中最基本的协议，是Internet国际互联网络的基础。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准，具有灵活性、适应性等特点。
局域网（LAN）简介
拓扑结构：树形、星形（物理结构） 总线型（逻辑结构）
传输媒体：双绞线、单模光纤（干线）
媒体访问方式：CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）
方式包括： 先听后发；边听边发；冲突停发；等待重发。
常用的有限信道 有线信道主要有四类。即明线（open wire）、对称电缆（Symmetrical cable）、同轴电缆（coaxial cable）和光纤（Optical fiber）。
传输特性
传输媒体为导线（双绞线或者光纤等），信号沿导线传输，能量相对集中在导线附近。因此具有较高的传输效率。信噪比高、频带资源窄、存在回波和非线性失真。
传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流，这些数据流仍然包括所有用户的数据。
物理信道则是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用。简单来讲，
逻辑信道＝｛所有用户（包括基站，终端）的纯数据集合｝
传输信道＝｛定义传输特征参数并进行特定处理后的所有用户的数据集合｝
物理信道＝｛定义物理媒介中传送特征参数的各个用户的数据的总称
无线信道的特性 无线通信系统中信道的特性主要有三个：1、传播的开放性 2、接收地理环境的复杂性和多样性 3、用户的随机移动性。
无线信道中有中、长波的地波传播信道，短波的电离层反射传播信道，超短波和微博的各种直射和散射传播信道等。无线信道不想有线信道传播那样固定并且可预见，其传播环境是一种随时间、环境和其他外界因素变化的环境。在无线通信中，依据其视距可分为视距信道和非视距信道，但一般视距信道只使用于空旷地区，或者基塔天线较高的地区；但一般信号传递均为非视距传播，传输距离远，基塔之间不存在直射信号，而是通过发射信号经过多次反射、绕射和散射后的叠加，这种现象称为多径传播效应。因此当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。因其多径传播特性和电磁波的性质，允许用户具有随机移动性。
微波的构成及主要技术
微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。
为了把电波聚集起来成为波束,送至远方,一般都采用抛物面天线,其聚焦作用可大大增加传送距离。多个收发信机可以共同使用一个天线而互不干扰,我国现用微波系统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工作,也可以八收八发同时工作以增加微波电路的总体容量。多路复用设备有模拟和数字之分。模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信,可用于不同容量等级的微波电路。数字微波系统应用数字复用设备以30路电话按时分复用原理组成一次群,进而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并经过数字调制器调制于发射机上,在接收端经数字解调器还原成多路电话。最新的微波通信设备其数字系列标准与光纤通信的同步数字系列(SDH)完全一致,称为SDH微波。这种新的微波设备在一条电路上,八个束波可以同时传送三万多路数字电话电路(2.4Gbit/s)。
微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务的传送,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能,对水灾、风灾以及地震等自然灾害,微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送,易受干扰,在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向,因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性,在电波波束方向上,不能有高楼阻挡,因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划,使之不受高楼的阻隔而影响通信。
2．移动通信的构成及主要技术
构成
集群移动通信，也称大区制移动通信。它的特点是只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30公里，发射机功率可高达200瓦。用户数约为几十至几百，可以是车载台，也可是以手持台。它们可以与基站通信，也可通过基站与其它移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。
蜂窝移动通信，也称小区制移动通信。它的特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源可以充分利用。每个小区的用户在1000以上，全部覆盖区最终的容量可达100万用户。
卫星移动通信，利用卫星转发信号也可实现移动通信，对于车载移动通信可采用赤道固定卫星，而对手持终端，采用中低轨道的多颗星座卫星较为有利。
主要技术
移动通信系统是采用多信道共用技术，在一个无线小区内，同时通信者会有成百上千，基站会有多部收发信机同时在同一地点工作，会产生许多干扰信号，还有各种工业干扰和人为干扰。归纳起来有通道干扰、互调干扰、邻道干扰、多址干扰等，以及近基站强信号会压制远基站弱信号，这种现象称为“远近效应”。在移动通信中，将采用多种抗干扰、抗衰落技术措施以减少这些干扰信号的影响。
卫星通信系统的构成及主要技术
构成
卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：星载设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。用户端即是各种用户终端。
主要技术
在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。目前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。比较适用于点对点大容量的通信。近年来，时分多址技术也在卫星通信中得到了较多的应用，即多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。另一种多址技术是码分多址(CDMA)，即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。