《第二章物理层》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章物理层（185页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理层(ThePhysicalLayer)第二章2.1数据通信的理论基础(TheTheoreticalBasisforDataCommunication)信息的度量(InformationMeasures)傅立叶分析(FourierAnalysis)有限带宽的信号(Bandwidth-LimitedSignals)信道的最大数据传输率(MaximumDataRateofaChannel)2.1.0信息的度量信信息息是是个个抽抽象象的的概概念念，表表示示带带给给人人们们的的新新知知识识。它它同同头头脑脑中中已已有有的的知知识识关关系系密密切切。在在预预料料之之中中的的事事情情就就不不含含什什么信
2、息量。么信息量。一一个个消消息息所所含含的的信信息息量量，与与它它的的发发生生可可能能性性，或或者者说说出现的概率密切相关的。出现的概率密切相关的。如果有离散的随机变量如果有离散的随机变量X=(x1,x2,xn)其其中中事事件件xi发发生生所所带带来来的的信信息息量量I（xi），直直接接与与事事件件xi的的出出现概率现概率P（xi）相关。相关。2.1.0信息的度量所含信息量应该是出现概率的函数所含信息量应该是出现概率的函数I（xi）=fP（xi）如果信源发出两个消息，所获得的总信息量是两项之和。如果信源发出两个消息，所获得的总信息量是两项之和。事件上两个事件的联合概率是两个事件出现概率的乘积事
3、件上两个事件的联合概率是两个事件出现概率的乘积P(x,y)=P(x|y)P(y)其中其中P(x|y)表示出现的表示出现的y前提下出现前提下出现x的概率。的概率。将乘积关系转换成相加关系是对数函数形式。将乘积关系转换成相加关系是对数函数形式。2.1.0信息的度量信息量的度量方式信息量的度量方式I（xi）=FlogaP（xi）由于事件的出现概率总不大于由于事件的出现概率总不大于1，为了不使信息量成为，为了不使信息量成为负值，应该取概率的倒数来计算信息量负值，应该取概率的倒数来计算信息量I（xi）=logaP（xi）-1=-logaP（xi）对数函数的底数对数函数的底数a决定计算信息量的单位决定计算
4、信息量的单位-log2P(xi)(bit)-lnP(xi)(nat)-log10P(xi)(hartley)1nat1.45bit,1hartley3.32bitP(xi)值值很很小小，信信息息量量很很大大；常常见见事事件件的的出出现现只只带带来来很很少少的的信息量。可见上述定义是符合常人观念的。信息量。可见上述定义是符合常人观念的。2.1.1傅立叶分析(FourierAnalysis)任何周期为T的函数g(t):上式中f=1/T是基频，an和bn是正弦和余弦函数n次谐波的振幅2.1.1傅立叶分析(FourierAnalysis)2.1.2有限带宽的信号数据通信中的信号都是有限带宽的信号。例“
5、b”的ASCII码011000100当0tT/8,3T/8t3T/4,7T/8tTg(t)=1当T/8t3T/8,3T/4t7T/8求g(t)的付氏变换得到下列系数2.1.2有限带宽的信号2.1.2有限带宽的信号(an2+bn2)在频率nf处传送的能量传输设备对不同的付立叶分量的衰减程度不同（信号发生畸变的原因）频率fc内的谐波无衰减；频率fc的谐波衰减很大。其中fc称为信号的截止频率（衰减的原因：介质的物理特性和线路上的滤波器）2.1.2有限带宽的信号数据传输率与线路信号速率的关系（比特率）bit/s(波特率)BaudRbRBRb=RBlog2V其中V为信号电平级数（码元数）通常V=2时，（
6、0，1）此时Rb=RB2.1.2有限带宽的信号设比特率bbit/s,发八位信息所需的时间T=8/b(s)一次谐波频率f=1/T=b/8(Hz)电话系统fc3000Hz线路允许通过的最高谐波次数:n=fc/f=24000/b2.1.2有限带宽的信号(a)一个二进制信号和它的平方根傅立叶振幅.(b)(c)几个连续的信号接近于原始的信号.2.1.2有限带宽的信号(d)(e)几个连续的信号接近于原始的信号.2.1.2有限带宽的信号数据传输率和谐波之间的关系(Relationbetweendatarateandharmonics).2.1.3信道的最大数据传输率（1 1） NyquistNyquist定
7、理定理 无无噪噪声声的的低低通通信信道道，若若带带宽宽为为H H（HzHz），信信号号电平为电平为V V级，则级，则 最大数据传输率最大数据传输率=2=2HlogHlog2 2V V b/sb/s（2 2） Shannon Shannon定理定理S S：信号功率信号功率 N N：噪声功率噪声功率 S/NS/N称为信噪比称为信噪比 ( (通常通常 10 10loglog1010 S/N(dB), S/N(dB), 例例S/N=1000S/N=1000则为则为30 30 dB)dB) 信噪比为信噪比为S/NS/N的信道，若带宽为的信道，若带宽为H H（HzHz），），则则最大数据传输率最大数据传输
8、率= =HlogHlog2 2(1 + S/N) (1 + S/N) b/sb/s2.2有导向的传输介质(GuidedTransmissionMedia)磁介质(MagneticMedia)双绞线(TwistedPair)同轴电缆(CoaxialCable)光纤(FiberOptics)2.2.1磁介质(MagneticMedia)磁带(Magnetictape)8mm:7GB磁盘(Disk):软盘,硬盘1.44MB2.2.2双绞线(TwistedPair)电话线电话线一一对对平平行行线线，抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力差差（线线间间电电容容存存在在），传传送送模模拟拟信信号号。网网络络与与用用
9、户户侧侧接接口口时时，市内市内DDN线路采用。线路采用。2.2.2双绞线(TwistedPair)双绞线（双绞线（TwistedPair）芯芯线线为为软软铜铜线线，线线径径为为0.41.4mm不不等等，好好处处是可减少相邻线对间的电磁干扰。是可减少相邻线对间的电磁干扰。分为分为8芯与芯与4芯两种：芯两种：RJ-45，RJ-11接头。接头。分分 为为 无无 屏屏 蔽蔽 双双 绞绞 线线 （ UnshieledTwistedPair:UTP）和和屏屏蔽蔽双双绞绞线线（Shieled TwistedPair:STP）两两类，通常使用类，通常使用UTP2.2.2双绞线(TwistedPair)EIA-
10、568标准有三类标准有三类UTP：3类：类：UTP及其端接设备的传输特性定义为及其端接设备的传输特性定义为16MHz4类：类：UTP及其端接设备的传输特性定义为及其端接设备的传输特性定义为20MHz5类类 ： UTP及及 其其 端端 接接 设设 备备 的的 传传 输输 特特 性性 定定 义义 为为100MHz3类类和和5类类的的关关键键区区别别在在于于单单位位距距离离上上的的螺螺旋旋次次数。而同类数。而同类STP的信号衰减要小，但价格较贵的信号衰减要小，但价格较贵。2.2.2双绞线(TwistedPair)EIA-568标准又增加二类标准又增加二类UTP：6类类 ： UTP及及 其其 端端 接
11、接 设设 备备 的的 传传 输输 特特 性性 定定 义义 为为250MHz(1000BASE-T以太网以太网)7类类 ： UTP及及 其其 端端 接接 设设 备备 的的 传传 输输 特特 性性 定定 义义 为为600MHz(10G以太网以太网)2.2.2双绞线(TwistedPair)(a)3类UTP.(b)5类UTP.2.2.3同轴电缆(CoaxialCable)同轴电缆示意图.2.2.3同轴电缆(CoaxialCable)基带同轴电缆（基带同轴电缆（BasebandCoaxialCable）传送数字信号，距离小于传送数字信号，距离小于1000米时，米时，12Gb/s特性阻抗特性阻抗50欧：
12、欧：粗粗电电缆缆（RG11）抗抗电电磁磁干干扰扰性性能能好好，500米米，10Mb/s细电缆（细电缆（RG58）价格便宜，价格便宜，185米，米，10Mb/s特性阻抗特性阻抗93欧：（欧：（RG62）ARCNET使用，使用，20Mb/s2.2.3同轴电缆(CoaxialCable)宽带同轴电缆（宽带同轴电缆（Broadband Coaxial CableBroadband Coaxial Cable）“宽宽带带”指指比比4 4kHzkHz宽宽的的频频带带，计计算算机机网网络络领领域域是是泛泛指使用模拟传输的电缆网。指使用模拟传输的电缆网。特特性性阻阻抗抗为为7575欧欧，常常用用的的CATVC
13、ATV电电缆缆，在在传传模模拟拟信信号号时时，频带高达频带高达300450300450MHzMHz，距离可达距离可达100100公里。公里。2.2.3同轴电缆(CoaxialCable)传传数数字字信信号号时时，必必须须将将其其转转换换成成模模拟拟信信号号，一一比比特特占占一一至至四四赫赫兹兹的的带带宽宽。带带宽宽为为300300MHzMHz的的CATVCATV电缆可支持电缆可支持150150Mb/sMb/s。通通常常传传一一路路电电视视节节目目占占6 6MHzMHz的的信信道道。宽宽带带系系统统中中要要用用放放大大器器来来放放大大模模拟拟信信号号，而而放放大大器器只只能能单单向向工工作作，因
14、因此此双双工工传传输输中中，一一定定要要有有数数据据发发送送和接收两条分开的数据通路。和接收两条分开的数据通路。2.2.4光纤(FiberOptics)(a)三个例子:一束光按照不同的角度从二氧化硅内部射到空气/二氧化硅的界面上.(b)通过完全的内部反射,光线在光纤内部传输.2.2.4光纤(FiberOptics)光脉冲有无表示逻辑值光脉冲有无表示逻辑值“1”和和“0”可见光的频率大约为可见光的频率大约为108MHz，光传输系统可用带宽极大。光传输系统可用带宽极大。光传输系统：光传输系统：光纤（石英玻璃光纤（石英玻璃/二氧化硅（二氧化硅（silica），），光源（发光二极管（光源（发光二极管（
15、LED），半导体激光器），半导体激光器），检测器（光电二极管）检测器（光电二极管）半导体激光和LED作为光源的比较.2.2.4光纤(FiberOptics)多模光纤（多模光纤（MultiModeFiber）:含有许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输。含有许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输。多模光纤的频带较窄，传输特性较差多模光纤的频带较窄，传输特性较差距离距离2公里，可达公里，可达100Mb/s,校园网的主干网传输介质校园网的主干网传输介质2.2.4光纤(FiberOptics)单模光纤（单模光纤（SingleModeFiber）:光纤的直径与光波波长相等，光像波导沿直线传播。光纤的直径
16、与光波波长相等，光像波导沿直线传播。光纤传输特性：光纤传输特性：1）损损耗耗：光光信信号号在在光光纤纤中中传传播播时时单单位位长长度度的的衰减衰减2）色色散散：光光信信号号到到达达接接收收端端的的时时延延差差（即即脉脉冲展宽）冲展宽）2.2.4光纤(FiberOptics)单单模模光光纤纤的的频频带带较较宽宽，传传输输特特性性较较好好（0.2-0.5dB/km,2.4Gb/s,色色散散几几乎乎为为零零），与与光光源源耦耦合合和和连连接接较较难难，价价贵贵，通通信信网网主主干干线线上上采采用用。数数据据速率在实验上可高达速率在实验上可高达100Gb/s。2.2.4光纤(FiberOptics)1
17、998年年AT&T采采用用光光放放大大器器和和单单光光子子相相结结合合的的方方法法，实实现现1300公公里里内内，单单模模光光纤纤传传输输速速率率已已达达20Gb/s。2000年达年达1032Gb/s（DWDM）(实验实验)。2005年年达达802.5Gb/s（DWDM）。（烽烽火集团）火集团）通过光纤传输光红外区域的光通过光纤时的衰减情况.通过光纤传输光衰减的分贝数=10log10(传输能量/接收的能量)例如:如果损失了一半的能量,则衰减为10log102=3dB光缆(FiberCables)(a)单根光纤的结构.(b)三根光纤封起来的截面.光纤网络(FiberOpticNetworks)带
18、有有源中继器的光纤环网.光纤网络(FiberOpticNetworks)(2)光纤网络中的无源星形连接.2.3无线传输(WirelessTransmission)电磁频谱(TheElectromagneticSpectrum)无线电传输(RadioTransmission)微波传输(MicrowaveTransmission)红外线和毫米波(InfraredandMillimeterWaves)光波传输(LightwaveTransmission)2.3.1电磁频谱频率:f,波长: ,光速:c f=c (常数)电磁波可以承载的信息量与它的波长有关.df c_d =- 2_如果以有限差分来代替微
19、分,并且只看绝对值,则可以得到: c f = 2_2.3.1电磁频谱已知 , 则可以计算 f例如:=1.310-6, =0.1710-6, f30THz也就是说编码率为8b/Hz,则数据传输率为240Tbps. 大多数的传输使用窄的频段以获得最佳的接收能力.对宽的频段:跳频扩频(frequencyhoppingspreadspectrum)直接序列扩频(directsequencespreadspectrum)2.3.1电磁频谱电磁频谱和它在通信中的用途.2.3.2无线电传输(RadioTransmission)无无线线电电波波是是一一个个广广义义的的术术语语，从从含含义义上上讲讲无无线线电电
20、波波是全向传播。分为是全向传播。分为12个频段：个频段：极低频，超低频，特低频，甚低频极低频，超低频，特低频，甚低频(VLF)，低频，低频(LF)中频（中频（MF）：）：300K3000KHz高高频频(HF)，甚甚高高频频(very)，特特高高频频(ultra)，超超高高频频(super)，极极高高频频(extremely)，至至高高频频（tremendously,300G3000GHz）2.3.2无线电传输(RadioTransmission)(a)在VLF,LF,andMF波段,无线电波沿着地面传播.(b)在HF波段,无线电波被电离层折射会来.2.3.2无线电传输(RadioTransmi
21、ssion)无线电波的不同频段可用于不同的无线通信方式：无线电波的不同频段可用于不同的无线通信方式：频频率率范范围围3M30MHz，通通称称为为高高频频（HF）段段，用用于于短短波波通通信信。它它是是通通过过地地面面发发射射无无线线电电波波，经经电电离离层层的的多多次折射到接收端。次折射到接收端。由由于于电电离离层层随随季季节节、昼昼夜夜以以及及太太阳阳黑黑子子活活动动而而变变化化，所所以以通通信信质质量量不不稳稳定定。当当传传输输数数据据时时，在在邻邻近近的的传传输码元会引起干扰。输码元会引起干扰。2.3.2无线电传输(RadioTransmission)频率范围频率范围30M300MHz，
22、为甚高频（为甚高频（VHF）段段频率范围频率范围300M3000MHz，为特高频（为特高频（UHF）段段电电磁磁波波可可穿穿过过电电离离层层，不不会会因因折折射射而而引引起起干干扰扰，可可用用于数据通信。于数据通信。例如，夏威夷大学的例如，夏威夷大学的ALOHA系统，使用两个频率系统，使用两个频率上行频率：上行频率：407.35MHz下行频率：下行频率：413.35MHz两个信道的带宽均为两个信道的带宽均为100KHz，传输数据率为传输数据率为9600bps2.3.3微波传输(MicrowaveTransmission)地面微波地面微波(terrestrialmicrowave)工工作作频频率
23、率范范围围1G20GHz，它它是是利利用用微微波波在在对对流流层层的的视视距距范范围围内内进进行行传传输输。微微波波站站的的通通信信距距离离一一般般为为3050公里。当微波天线高度达公里。当微波天线高度达100米时通信距离达米时通信距离达80公里。公里。中继站的主要功能是变频和放大。中继站的主要功能是变频和放大。模拟微波通信主要采用调频制，单边带调幅制。模拟微波通信主要采用调频制，单边带调幅制。微波天线的直径为微波天线的直径为3米。米。2.3.3微波传输(MicrowaveTransmission)数数字字微微波波大大多多采采用用调调相相制制，有有四四相相制制和和八八相相制制。国国内内长途干线
24、采用长途干线采用4GHz的的960路系统和路系统和6GHz的的1800路系统。路系统。微波通信可传输电话，电报，图像，数据等信息。微波通信可传输电话，电报，图像，数据等信息。特点：特点：微微波波波波段段频频率率高高，信信道道的的容容量量大大，传传输输质质量量较较平平稳稳（遇到雨雪天气时会增加损耗）（遇到雨雪天气时会增加损耗）适适合合于于有有线线线线路路难难于于跨跨越越或或不不易易架架设设的的地地区区（高高山山，深水）有较大的灵活性，抗灾能力较强深水）有较大的灵活性，抗灾能力较强2.3.3微波传输(MicrowaveTransmission)微微波波有有扩扩散散，会会有有多多路路径径衰衰落落和和
25、易易被被地地表表吸吸收收，损损耗大（耗大（10%信道空闲备用）信道空闲备用）通信隐蔽性和保密性差通信隐蔽性和保密性差电磁频谱的政策(PoliticsoftheElectromagneticSpectrum)全世界全世界:ITU-R美国美国:联邦通信委员会联邦通信委员会FCC(FederalCommunicationCommission)ISM(Industrial,Science,Medical)频段频段:902MHz928MHz:26MHz带宽带宽2.4GHz2.4835GHz:83.5MHz带宽带宽5.735GHz5.860GHz:125MHz带宽带宽电磁频谱的政策(Politicsoft
26、heElectromagneticSpectrum)美国的ISM频段.2.3.4红外线和毫米波(InfraredandMillimeterWaves)广泛用于短距离通信广泛用于短距离通信红外线红外线(Infrared)频率比微波高，发送和接收器处于视线范围内，中间不允频率比微波高，发送和接收器处于视线范围内，中间不允许有障碍物。不适室外通信，仅室内通信。方向性好，抗许有障碍物。不适室外通信，仅室内通信。方向性好，抗干扰，保密性较好。距离干扰，保密性较好。距离1600米，米，1500Kbps，室内局域网室内局域网采用。采用。2.3.5光波传输(LightwaveTransmission)激光传输
27、的特点：激光传输的特点： 连续的光信号连续的光信号 单向性单向性 成本低成本低 容易安装容易安装 受天气影响大（雨和浓雾）受天气影响大（雨和浓雾）2.3.5光波传输(LightwaveTransmission)气流可以干扰激光通信系统.这里显示了一个具有两个激光源的双向系统.2.4通信卫星(CommunicationSatellites)地球同步卫星(GeostationarySatellites)中轨道卫星(Medium-EarthOrbitSatellites)低轨道卫星(Low-EarthOrbitSatellites)卫星和光纤(SatellitesversusFiber)2.4通信卫
28、星(CommunicationSatellites)通通信信卫卫星星置置于于地地球球赤赤道道上上空空35784公公里里处处的的对对地地静静止止的的轨轨道道上上。24小小时时转转一一周周，故故称称为为同同步步通通信信卫卫星星。实实际际上上，它它是是一一个个悬悬空空的的微微波波中中继站。继站。通常每通常每40MHz带宽有带宽有1224个转发器个转发器（transponders）。）。2.4通信卫星(CommunicationSatellites)从从理理论论上上讲讲全全球球只只要要有有三三个个同同步步通通信信卫卫星星，就可以实现全球通信。就可以实现全球通信。地地球球站站发发上上行行频频段段信信号号
29、经经卫卫星星接接收收，然然后后以以下下行行频频段段信信号号转转发发。可可连连通通地地面面最最长长达达13000公里的两个地球站间的通信。公里的两个地球站间的通信。2.4通信卫星通信卫星和它们的一些特性,离地球的高度,往返的延迟时间和为覆盖整个地球所需要的卫星数.2.4通信卫星(CommunicationSatellites)卫星微波的特点：卫星微波的特点：通信覆盖面广，距离远通信覆盖面广，距离远广播型信道，易于实现多地传输广播型信道，易于实现多地传输成本高，卫星寿命成本高，卫星寿命810年，少则年，少则67年年传输时延大（约传输时延大（约540ms往返）往返）2.4.1地球同步卫星(Geost
30、ationarySatellites)1945Clarke:地球同步卫星(结论:impossible)1962Telstar:第一颗人造通信卫星GEO:GeostationaryEarthOrbit(satellites)地球同步轨道卫星为了避免干扰:180satellites(在赤道平面)为了防止在空中出现混乱:由ITU分配轨道槽为了避免下行链路的干扰:频率是由ITU来分配的2.4.1地球同步卫星(GeostationarySatellites)基本的卫星频段2.4.1地球同步卫星脚印(Footprint):空间波束(大约覆盖地球表面的三分之一)点波束(Spotbeams):多个上行和下行传
31、输的波束低成本微型站:VSATs(VerySmallApertureTerminals):天线1-米或者更小(GEO的天线10-米)上行链路速率19.2kbps下行链路速率512kbps不能直接与其他站通信(1wattofpower)中心站(Hub):有一个大的和高增益天线540msec(VAST系统与一个hub的通信时延)2.4.1地球同步卫星(GeostationarySatellites)使用Hub的VSAT.2.4.2中轨道卫星(Medium-EarthOrbitSatellites)MEO(Medium-EarthOrbit)NotusedfortelecommunicationsG
32、PS(GlobalPositioningSystem)24satellites18000km2.4.3低轨道卫星(Low-EarthOrbitSatellites)Iridium(铱计划)LEO(Low-EarthOrbit)1990Motorola计划发射计划发射77颗低轨道卫星颗低轨道卫星(Iridiumproject),后修改为后修改为Dysprosium(镝）镝）project:66颗低轨道卫星颗低轨道卫星2.4.3低轨道卫星Iridium1997Iridium卫星成功发射卫星成功发射高度高度750km1998年年11月月1999年年8月月破产破产价值价值50亿美元被一家投资商用亿美元
33、被一家投资商用2500万美元买去万美元买去2001年年3月月Iridium卫星服务又重新开始卫星服务又重新开始最多有最多有48小区小区(spotbeams)/每颗卫星每颗卫星3840信道信道/每颗卫星每颗卫星低轨道卫星Iridium(a)Iridium卫星构成了六条项链,覆盖了整个地球.(b)1628个移动的蜂窝覆盖了地球.Globalstar(a)在太空中转发信号.(b)在地面上转发信号.Teledesic针对Internet用户上行链路100Mbps下行链路720Mbps一种小的,固定的,VSAT类型的天线30(288)颗卫星,高度1350km在太空中分组交换原计划在2005年2.5公共交
34、换电话系统(PublicSwitchedTelephoneSystem)电话系统的结构(StructureoftheTelephoneSystem)电话业中的政治学(ThePoliticsofTelephones)本地回路:调制解调器,ADSL和无线(TheLocalLoop:Modems,ADSLandWireless)干线和多路复用(TrunksandMultiplexing)交换(Switching)2.5.1电话系统的结构(StructureoftheTelephoneSystem)(a)完全互联的网络(Fully-interconnectednetwork).(b)中心化的交换(Ce
35、ntralizedswitch).(c)两级层次结构(Two-levelhierarchy).2.5.1电话系统的结构(StructureoftheTelephoneSystem)公共交换电话网络公共交换电话网络PSTN:PublicSwitchedTelephoneNetwork 本地回路本地回路(localloop) 端局端局(endoffices)/本地中心局本地中心局(localcentraloffices) 长途局长途局(tolloffices)/汇接局汇接局(tandemoffices) 准长途干线准长途干线(tollconnectingtrunks) 长途干线长途干线(inter
36、tolltrunks)/长途局干线长途局干线(interofficetrunks)电话系统的结构StructureoftheTelephoneSystem(2)一个中距离电话的典型路径(Atypicalcircuitrouteforamedium-distancecall).电话系统的三个主要部件本地回路本地回路(Localloops)双绞线进入家庭和业务部门双绞线进入家庭和业务部门,模拟信号模拟信号干线干线(Trunks)通过光纤将交换局连接起来通过光纤将交换局连接起来,数字信号数字信号交换局交换局(Switchingoffices)电话呼叫从一条干线接入到另一条干线电话呼叫从一条干线接入到
37、另一条干线2.5.2电话业中的政治学1984AT&T被分解为被分解为:AT&T长话公司长话公司23贝尔运营公司贝尔运营公司:BOCs(BellOperatingCompanies)其他一些部门其他一些部门(afewotherpieces)整个美国被分成整个美国被分成:164LATAs(本地接入和传输区本地接入和传输区)本地交换承运商本地交换承运商:LEC(LocalExchangeCarrier)(BOC)LATA之间的业务之间的业务:跨区交换承运商跨区交换承运商:IXC(IntereXchangeCarrier)汇接点汇接点:POP(PointofPresence)AT&T,WorldCom
38、andSprint2.5.2电话业中的政治学LATA,LEC和IXC之间的关系.所有的圆圈都是LEC交换局.每个六边形都属于某一个IXC,内部数字标明了该IXC的号码.2.5.3本地回路:调制解调器,ADSL和无线从计算机到计算机的呼叫用到了模拟和数字传输,在调制解调器和编解码器之间完成数模转换.2.5.3本地回路:调制解调器,ADSL和无线传输线路存在三个主要的问题:衰减(attenuation):能量的损失能量的损失(powerloss)接收信号的时延畸变(delaydistortionofthesignalreceived)噪音(noise):热热噪音(thermalnoise),串音串
39、音(crosstalk),脉冲脉冲噪音(impulsenoise)调制解调器(Modems)模拟信道直接传输基带信号带来的问题：模拟信道直接传输基带信号带来的问题：（1）基基带带信信号号的的直直流流成成分分和和接接近近直直流流的的低低频频成成分分不不可可能能通通过过含有大量变压器和带通滤波器的模拟信道。含有大量变压器和带通滤波器的模拟信道。（2）离散数字信号抗信道干扰的能力不强。）离散数字信号抗信道干扰的能力不强。（3）基基带带信信号号所所占占频频带带较较宽宽，不不利利于于有有效效地地利利用用信信道道带带宽宽，也不利于信道的复用。也不利于信道的复用。调制解调器(Modems)调制解调器调制解调
40、器(modem)就是由就是由调制器调制器(MOdulator)和和解调器解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。这两个字各取其字头合并而成的。调制器的主要作用就是个调制器的主要作用就是个波形变换器波形变换器，解调器的作用就是个，解调器的作用就是个波形识别器波形识别器。所所谓谓调调制制就就是是进进行行波波形形变变换换。或或者者更更严严格格些些，是是进进行行频频谱谱变变换换，将将基基带带数数字字信信号号的的频频谱谱变变换换成成为为适适合合于于在在模模拟拟信信道道中传输的频谱。最基本的调制方法有以下几种：中传输的频谱。最基本的调制方法有以下几种：调制解调器(Modems)（1）
41、调幅调幅调幅调幅(AM：AmplitudeModulation):又称幅移键控（又称幅移键控（ASK）被调制的载波一般都是用正弦波：被调制的载波一般都是用正弦波：Asin(t+)其中：其中：A是幅度，是幅度，是频率，是频率，是相位是相位（t）=(t)=0A(t)=A1,A2,.,AN每一种幅值代表一种码元每一种幅值代表一种码元(symbol)调制解调器(Modems)（2）调频调频调频调频(FM：FrequencyModulation）：）：频移键控（频移键控（FSK）A(t)=A(t)=0（t）=1，2，.,N每一种频率值代表一种码元每一种频率值代表一种码元（3）调相调相调相调相(PM：Ph
42、aseModulation）：）：相移键控（相移键控（PSK）调制解调器(Modems)A(t)=A（t）=(t)=1，2，.,N每一种相位代表一种码元每一种相位代表一种码元绝对相移绝对相移:用一种相位值固定表示一种码元用一种相位值固定表示一种码元相对相移相对相移:用前后相邻两波形的相位变化值用前后相邻两波形的相位变化值表示码元表示码元调制解调器(Modems)(a)一个二进制信号(b)调幅(c)调频(d)调相调制解调器(Modems)a)正交相移键控正交相移键控:QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)4phases:45,135,225,315degreeswith
43、constantamplitude2bits/baudor2bits/symbol(b)QAM-16(QuadratureAmplitudeModulation)4amplitudes,4phases4bits/baudor4bits/symbol(c)QAM-64(QuadratureAmplitudeModulation)e.g.16amplitudes,4phases6bits/baudor6bits/symbol调制解调器(Modems)(a)QPSK.(b)QAM-16.(c)QAM-64.调制解调器(Modems)格栅编码调制格栅编码调制TCM(TrellisCodedModula
44、tion):Errorcorrection(a)V.32for9600bps.4bits/baud2400baud:4bits+1paritybit(b)V.32bisfor14,400bps.6bits/baud2400baud:6bits+1paritybitQAM-128调制解调器(Modems)V.34for28.8kbps.12bits/baud2400baudV.34bisfor33.6kbps.14bits/baud2400baudV.90:上行上行33.6kbps,下行下行56kbpsV.92:上行上行48kbps,下行下行56kbps调制解调器(Modems)(a)V.32f
45、or9600bps.(b)V32bisfor14,400bps.(a)(b)数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)数数字字用用户户线线（DSL：DigitalSubscriberLine）提提供供全全双双工工160kbit/s的的数数字字传传输输，它它是是以以铜铜质质电电话话线线为为传传输输媒媒体体的传输技术组合。的传输技术组合。DSL传输的基本结构如图所示。传输的基本结构如图所示。DSL交换局线路端用户网络端用户160kbit/s数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)xDSL是是在在DSL传传输输的的基基本本结结构构的的基基础础上上
46、实实现现宽宽带带传输的各种技术的统称。传输的各种技术的统称。其其中中前前面面的的字字母母x代代表表不不同同种种类类的的宽宽带带技技术术，主主要要体体现现在在信信号号的的传传输输速速率率和和距距离离，还还有有对对称称和和非非对对称称的区别上。的区别上。下下面面对对目目前前三三种种主主要要的的数数字字用用户户线线技技术术进进行行简简要要的介绍。的介绍。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)1高比特率数字用户线（高比特率数字用户线（HDSL）HDSL（Highbit-rateDigitalSubscriberLine）是一是一种对称的高速数字用户线技术，它是种对称的高速
47、数字用户线技术，它是ISDN基本速率传基本速率传输技术的发展和延伸。输技术的发展和延伸。HDSL传输系统通过适当的线传输系统通过适当的线路编码方式，对基群速率码流进行压缩后，在两对或路编码方式，对基群速率码流进行压缩后，在两对或三对铜线用户线上全双工无中继地传输三对铜线用户线上全双工无中继地传输2Mbps的数据。的数据。采用自适应回波抵消技术和自适应均衡技术，适应各采用自适应回波抵消技术和自适应均衡技术，适应各种线路特性，从而得到较高的性能。种线路特性，从而得到较高的性能。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)HDSL系系统统主主要要由由接接口口部部分分、映映射射
48、部部分分和和收收发发器器组组成成。其其中中接接口口部部分分的的主主要要功功能能是是码码型型变变换换，它它将将符符合合ITU-TG.703建建议议的的速速率率为为2Mbps的的HDB3的的PCM码码流流转转换换成成2Mbps的的NRZ的的PCM码码流流，或或反反之之。映映射射部部分分的的作作用用相相当当于于复复接接和和分分接接（二二路路或或三三路路，加加开开销）。销）。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)符符合合ITU-TG.991.1新新建建议议的的HDSL系系统统可可以以支支持持640kbps、1168kbps、2320kbps三三种种数数据据传传输输速速率率
49、，但但不不支支持持POTS(PlainOldTelephoneService)电电话话和和ISDN。HDSL的的无无中中继继传传输输距距离离视视线线径径不不等等而而不不同同，约为约为47公里。公里。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)2不对称数字用户线（不对称数字用户线（ADSL）ADSL（ Asymmetrical Digital Subscriber Line）是是在在一一对对铜铜线线上上，在在不不影影响响现现有有POTS电电话话业业务务的的情情况况下下，进进行行非非对对称称的的双双向向高高速速数数据据传传输输的的新新技技术术。它它的的主主要要用用途途是是可
50、可以以传传送送比比HDSL更更高高速速的的数数字字信信号号，例例如如点点播播电电视视（VOD）。ADSL的的上上行行速速率率为为224kbps640kbps，下下行行速速率率为为1.544Mbps9.2Mbps；传输距离在传输距离在2.75.5公里。公里。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)2不对称数字用户线（不对称数字用户线（ADSL）ADSL的标准有两个：的标准有两个：ANSIT1.413和和ITUG.992.1最大上行（最大上行（upstream)速率为速率为1Mbps最大下行（最大下行（downstream)速率为速率为8Mbps实际上供应商提供的是：实
51、际上供应商提供的是：上行速率为上行速率为64kbps,下行速率为下行速率为512kbps上行速率为上行速率为256kbps下行速率为下行速率为1Mbps；上行速率为上行速率为512kbps下行速率为下行速率为2Mbps；数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)2不对称数字用户线（不对称数字用户线（ADSL）为为了了在在同同一一对对线线上上传传输输两两个个方方向向的的信信号号，ADSL系系统统通通常常采采用用FDM方方式式分分隔隔两两个个方方向向的的信信号号。总总的的工工作作频频 段段 在在 1.1MHz以以 内内 ， 分分 成成 256个个 独独 立立 的的 信信
52、道道（4312.5Hz)。0信信道道用用于于POTS，1-5信信道道没没有有用用，其其余余信信道道有有一一个个用用于于上上行行控控制制，还还有有一一个个用用于于下下行行控控制制。上上行行数数据据的的中中心心频频率率为为30k40kHz，下下行行数数据据的的中中心心频频率率为为500k550kHz。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)2不对称数字用户线（不对称数字用户线（ADSL）ADSL是是在在用用户户电电话话线线上上采采用用分分离离器器（Splitter）的的办办法法将将模模拟拟话话音音信信道道与与数数字字调调制制解解调调器器分分开开，即即使使在在ADSL连连
53、接接失失败败时时也也不不影影响响话话音音服服务务。ITU-TG992.1规规范范了了带带分分离离器器的的ADSL系系统统，该该系系统统可可以以在在一一对对铜铜线线上上传传输输高高速速数数据据和和模模拟拟信信号号，采采用用的的线线路路编编码码为为离离散散多多音音频频调调制制（DMTM，DiscreteMultiToneModulation）。）。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)2不对称数字用户线（不对称数字用户线（ADSL）这这种种编编码码又又称称多多载载波波调调制制，是是一一种种正正交交的的频频分分复复用用方方式式，采采用用正正交交幅幅移移键键控控（QASK
54、）方方式式。最最大大的的优优点点是是发发送送和和接接收收都都可可以以利利用用高高效效的的快快速速傅傅里里叶叶变变换换（FFT）和和反反变变换换（IFFT）来来实实现现，其其作作用用是是完完成成QAM信信号号与与数数字字形形式式的的副副载载频频信信号号之之间间的的变变换换，再再利利用用数数/模模转转换换和和滤滤波波器器构构成成模模拟拟信信号号。上上行行速速率率为为640kbps，下行速率为下行速率为6.144Mbps。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)2不对称数字用户线（不对称数字用户线（ADSL）通通信信双双方方的的分分离离器器(Splitter)是是由由网网
55、络络接接口口设设备备（NID，NetworkInterfaceDevice)相连的。相连的。ADSL调调制制解解调调器器相相当当于于250个个并并行行操操作作的的QAM调调制制解解调器。调器。局局 端端 的的 分分 离离 器器 将将 26kHz以以 上上 的的 信信 号号 送送 到到DSLAM（DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer)进行处理。进行处理。数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)3类UTP用于DSL时带宽与距离的关系.数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)使用DMT的ADSL频谱划分的
56、方案.数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)一个典型的ADSL设备配置图.数字用户线数字用户线(DigitalSubscriberLines)3甚高比特率数字用户线（甚高比特率数字用户线（VDSL）由于由于ADSL提供的带宽有限，而且收发器提供的带宽有限，而且收发器的成本较高。的成本较高。VDSL（Veryhigh-rateDigitalSubscriberLine）是是ADSL的发展方向，也称的发展方向，也称为宽带数字用户线（为宽带数字用户线（BDSL），），是目前最先进是目前最先进的数字用户线技术。的数字用户线技术。数字用户线数字用户线(DigitalSubs
57、criberLines)3甚高比特率数字用户线（甚高比特率数字用户线（VDSL）VDSL通常采用通常采用DMT调制方式，收发器的调制方式，收发器的成本比成本比ADSL低了一半，在一对铜线上实现数低了一半，在一对铜线上实现数据双向传输，其上行速率可达据双向传输，其上行速率可达1.57Mbps，下行速率可达下行速率可达1352Mbps，传输距离为传输距离为3001300米。米。无线本地回路(WirelessLocalLoops)ILEC(IncumbentLEC):toentrenchedlocaltelephonecompany.CLEC(CompetitiveLEC):e.gIXC无线本地回路
58、:WLL(WirelessLocalLoop)三种关键地方与移动电话不同:高速(high-speed):至少等于ADSL的速率新的用户不在意在其房顶上安大的定向天线,指向CLEC的端局用户不是移动的(fixedwireless)无线本地回路(WirelessLocalLoops)WLL的业务:多信道多点分发业务:MMDS(MultichannelMultipointDistributionService)Bandwidth198MHz(31morechannelsaddedat2.5GHz)BeregardedasaMAN(50km)本多点分发业务:LMDS(LocalMultipointDi
59、stributionService)Millimeterwave1.3GHz(28-31GHz/U.S,40GHz/Europe)(2-5km)Eachsector(antenna):36Mbps上行时,1Mbps下行时(直线传播,树叶可吸收这些电波)无线本地回路(WirelessLocalLoops)LMDS系统的结构.2.5.4干线和多路复用(TrunksandMultiplexing)两种基本的多路复用两种基本的多路复用: 频分多路复用频分多路复用:FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)频带被划分为若干个频段，每个用户独站某个频段频带被划分为若干个频段，每个
60、用户独站某个频段 时分多路复用时分多路复用:TDM(TimeDivisionMultiplexing)所有用户是分时使用整个频带所有用户是分时使用整个频带频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)(a)原来的带宽(Theoriginalbandwidths).(b)被升频之后的带宽(Thebandwidthsraisedinfrequency).(b)复用之后的信道(Themultiplexedchannel).波分多路复用(WavelengthDivisionMultiplexing)波分多路复用(Wavelengthdivisionmultiplexing)
61、.波分多路复用(WavelengthDivisionMultiplexing)下下图图表表示示8路路传传输输速速率率均均为为2.5Gbit/s的的光光载载波波(其其波波长长均均为为1310nm)，经经光光的的调调制制后后，分分别别将将波波长长变变换换到到15501557nm，每每个个光光载载波波相相隔隔1nm(这这里里只只是是为为了了说说明明问问题的方便，实际上光载波的间隔一般是题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或或1.6nm)。波分多路复用(WavelengthDivisionMultiplexing)时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)频率 周期性出现 A
62、 B C D A B C D A B C D A B 时间 TDM幀 TDM幀 TDM幀时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)每一个时分复用的用户在每一个每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占有固定序帧中占有固定序号的时隙。当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于号的时隙。当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。空闲时，而其他用户也无法使用的利用率一般是不高的。空闲时，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。这个暂时空闲的线路资源。时分多路复
63、用(TimeDivisionMultiplexing)统计时分复用统计时分复用STDM(StatisticTDM)是一种改进的时是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。下图是统计时常使用这种统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。分复用的原理图。统计复用又称为统计复用又称为异步时分复用异步时分复用，而普通的时分复用称，而普通的时分复用称为为同步时分复用同步时分复用。时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)时分多路复用(TimeDivisionMultiplex
64、ing)1北美体制的北美体制的T系列系列最基本的最基本的T1载波：载波：采采 用用 TDM， 含含 24路路 话话 音音 信信 道道 ， 传传 PCM（ Pulse CodeModulation） 信信 号号 。 话话 音音 信信 道道 的的 最最 高高 频频 率率 ：fm=4kHz(3003400Hz)采样频率采样频率fs=2fm=8kHz(每秒采样每秒采样8000次次)采样的时间间隔采样的时间间隔t=1/fs=125s每每次次采采样样值值数数字字化化后后用用7-bit表表示示（传传输输加加1bit为为信信令令）。将将125s划分为划分为24个时隙（信道）。个时隙（信道）。帧结构：帧结构：1
65、93bits,其中其中1bit为帧码位。为帧码位。数据传输率：数据传输率：T11.544Mbps时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)T1载波(TheT1carrier(1.544Mbps).时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)2.ITU-T（CCITT）的的E系列系列CCITT认为认为T1系统每路每秒用系统每路每秒用8000bits作控制位太浪费作控制位太浪费采样频率采样频率fs=8kHz，t=125s采样值量化后为采样值量化后为8-bit，将将125s划分为划分为32个时隙（信道）个时隙（信道）E1：32/30路路PCMFI012.16
66、1731帧帧(256bits),125s.时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)其中两路传送控制信号其中两路传送控制信号0路：（同步）路：（同步）X0011011X为国际图像用，不用时暂定为国际图像用，不用时暂定116路：（标志信号）路：（标志信号）abcdabcd,bcd不用时：不用时：b=1c=0d=1对对i号帧：（号帧：（i路）（路）（i+16路）路）0号帧：号帧：00001x11（复帧同步）复帧同步）F0F1.F8F9.F152ms,复帧复帧E1的数据传输速率：的数据传输速率：2.048Mbps32路路.时分多路复用(TimeDivisionMultiplex
67、ing)(2)与采样频率相比，信号的变化相对较慢，因此与采样频率相比，信号的变化相对较慢，因此7-bit/8-bit中的信息大多是冗余的。中的信息大多是冗余的。差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制(Differentialpulsecodemodulation):其输出不是数字化幅度，而是当前值与前一个值之差。其输出不是数字化幅度，而是当前值与前一个值之差。增量调制增量调制(Deltamodulation):.要求每个采样值与前一个值相差要求每个采样值与前一个值相差+1或或-1，这样只需要传送，这样只需要传送1-bit就可以表示新的采样值是大于或是小于前一个采样值。就可以表示新的采样值是大于或是小
68、于前一个采样值。预测编码预测编码(Predictiveencoding):对差分脉冲编码调制的改进，对差分脉冲编码调制的改进，以前面的几个值预测将要到的下一个值，然后对实际信号以前面的几个值预测将要到的下一个值，然后对实际信号值和预测值的差编码。值和预测值的差编码。时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)(2)增量调制(Deltamodulation).时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)(3)多路复用T1流成为更高级的载波(MultiplexingT1streamsintohighercarriers).SONET/SDH为为了了在在干干线
69、线网网上上有有效效地地传传送送高高次次群群的的比比特特流流，以以利利于于全全球球范范围围的的BISDN网网间间互互连连，1985年年美美国国贝贝尔尔通通信信研研究究公公司司最最早早提提出出同同步步光光纤纤网网（SONET：SynchronousOptical NETwork） ,后后 来来 成成 为为 美美 国国 国国 家家 标标 准准 ANSIT1.105107。SONET/SDHSONET设计的目标：设计的目标：使使不不同同的的载载波波互互连连成成为为可可能能，定定义义通通用用的的信信令令标标准准：波波长长，定时，帧结构等定时，帧结构等传输方法需要统一：传输方法需要统一：64kbpsPCM
70、信道（组合时）信道（组合时）提供一种多路复用多个数字信道的方式：提供一种多路复用多个数字信道的方式：T344.736Mbps支持运营，管理和维护（支持运营，管理和维护（OAM功能）功能）SONET/SDH源复接器中继器多路转接器中继器目的分路器分段分段分段分段（SECTION）线路线路（LINE）路径（PATH）SONET/SDH两个背靠背的SONET帧(Twoback-to-backSONETframes).SONET/SDH数据速率（总）数据速率（总）90988000=51.84MbpsSPE的数据速率的数据速率87988000=50.112Mbps用户数据速率用户数据速率86988000
71、=49.536Mbps这这个个SONET基基本本信信道道称称为为STS-1（SynchronousTransportSignal-1）。对对应应的的光光信信号号称称为为OC-1（OpticalCarrier-1）第第1级光载波。级光载波。多路复用：多路复用：STS-3：3STS-1STS-12：4STS-3STS-48：4STS-12SONET/SDHSDH(SynchronousDigitalHierarchy):1988年年 ITU-T在在 SONET的的 基基 础础 上上 ， 经经 过过 修修 改改 ， 制制 定定G.707,G.708,G.709国际标准。国际标准。SDH以以 155.
72、52Mbps STM-1(第第 1级级 同同 步步 转转 移移 模模 式式 )：SynchronousTransferMode-1较高等级的较高等级的STM-N则是则是N个个STM-1的复用。的复用。（教材（教材122页列出了页列出了SDH与与SONET各级的对应标准）各级的对应标准）SDH的帧结构：的帧结构：9行行 270列列SONET/SDHSONET和SDH复用率.SONET/SDHSDH的优点：的优点：使使北北美美，欧欧洲洲所所用用的的数数字字传传输输体体制制在在STM-1等等级级上上取取得得了了一一致，对现代电信网的发展具有重大意义致，对现代电信网的发展具有重大意义简化了分接和复接技
73、术，上下网络方便简化了分接和复接技术，上下网络方便可可与与数数字字交交叉叉设设备备（DACS）组组合合使使用用，提提高高了了通通信信网网的的可靠可靠性和灵活性性和灵活性具具有有多多种种控控制制，管管理理信信息息，并并采采用用自自愈愈混混合合环环形形网网络络结结构构，增强了网络的增强了网络的OAM功能功能2.5.5交换(switching)两种不同的交换技术两种不同的交换技术(Towdifferentswitchingtechniques):电路交换电路交换(Circuitswitching)分组交换分组交换(Packetswitching)电路交换(CircuitSwitching)(a)电路
74、交换(Circuitswitching).(b)分组交换(Packetswitching).报文交换(MessageSwitching)(a)电路交换(b)报文交换(c)分组交换分组交换(PacketSwitching)电路交换和分组交换网络的比较.2.6移动电话系统(TheMobileTelephoneSystem)第一代移动电话(First-GenerationMobilePhones):模拟语音(AnalogVoice)第二代移动电话(Second-GenerationMobilePhones):数字语音(DigitalVoice)第三代移动电话(Third-GenerationMobi
75、lePhones):数字语音和数据(DigitalVoiceandData)2.6.1第一代移动电话a)20世纪世纪50年代：按钮启动式系统年代：按钮启动式系统(push-to-talksystems)CB-无线电无线电,出租车和警车出租车和警车b)20世纪世纪60年代年代:改进的移动点话系统改进的移动点话系统:IMTS(ImprovedMobileTelephoneSystem)200-watt双频双频:一个发送频率一个发送频率,一个接收频率一个接收频率23个信道个信道(150MHz450MHz)信道少用户等拨号音的时间长信道少用户等拨号音的时间长2.6.1第一代移动电话(First-Gen
76、erationMobilePhones)c)高级移动电话系统高级移动电话系统:AMPS(AdvancedMobilePhoneSystem)蜂窝蜂窝(cell):一组频率一组频率,距离距离1020km微蜂窝微蜂窝(microcell):允许频率重用允许频率重用基站基站(basestation):在每个蜂窝的中心在每个蜂窝的中心高级移动电话系统(a)在相邻的蜂窝中,频率不会被重用.(b)为增加更多的用户,可以使用更小的蜂窝.高级移动电话系统(a)移动电话交换局移动电话交换局:MTSO(MobileTelephoneSwitchingOffice)移动交换中心移动交换中心:MSC(MobileSw
77、itchingCenter):信道的分配信道的分配(channelassignment)(b)切换切换(Handoff) 软切换软切换(softhandoff(third-generation) 硬切换硬切换(hardhandoff(first-generation,second-generation)高级移动电话系统(AdvancedMobilePhoneSystem)(c)832个全双工信道个全双工信道 单工传输信道单工传输信道:824849MHz单工接收信道单工接收信道:869894MHz每个单工信道的频宽为每个单工信道的频宽为30KHz信道的分类832个信道分为四类个信道分为四类:控制
78、控制(basetomobile):管理系统管理系统呼叫呼叫(basetomobile):用于提醒用户有呼叫到来用于提醒用户有呼叫到来访问访问(bidirectional):用于呼叫建立和信道分配用于呼叫建立和信道分配数据数据(bidirectional):用于语音用于语音,传真和数据传真和数据呼叫管理(CallManagement)序列号序列号(Aserialnumber):32-bit电话号电话号(Atelephonenumber):34-bit(10-digital)广播发送广播发送:序列号和电话号序列号和电话号移动电话注册移动电话注册:每隔每隔15分钟分钟呼叫呼叫:一个访问信道一个访问信
79、道,MTSO(分配一个空闲信道分配一个空闲信道),控制信道发送出信道号控制信道发送出信道号到来的呼叫到来的呼叫:所有空闲的电话监听呼叫信道所有空闲的电话监听呼叫信道;单元号单元号(unitnumber)信道号信道号(channelnumber)第一代移动电话的缺点(Theshortcomingoffirstgeneration)a)频谱利用率低，容量有限；频谱利用率低，容量有限；b)制式太多，互不兼容，不利于用户漫游，限制了制式太多，互不兼容，不利于用户漫游，限制了用户覆盖面；用户覆盖面；c)提供的业务种类受限，不能传数据信息；提供的业务种类受限，不能传数据信息；d)容易被窃听；容易被窃听；e
80、)不能与不能与ISDN兼容兼容2.6.2第二代移动电话:数字语音(DigitalVoice)数字的高级移动电话系统数字的高级移动电话系统:D-AMPS 全球移动通信系统全球移动通信系统:GSM 码分多路访问码分多路访问:CDMA 太平洋数字通信太平洋数字通信:PDC(PacificDigitalCommunication)个人通信服务个人通信服务:PCS(PersonalCommunicationsService)D-AMPS(DigitalAdvancedMobilePhoneSystem) D-AMPS:第二代的第二代的AMPS. D-AMPS:全数字全数字. 信道类型动态改变信道类型动态
81、改变(channeltypesdynamicallychange) 上行信道上行信道:18501910MHzD-AMPS(DigitalAdvancedMobilePhoneSystem) 下行信道下行信道:19301990MHz D-AMPS电话电话:850-MHz,1900-MHz 语音编码器语音编码器(vocoder):在电话里在电话里,(56k)8kbps甚甚至更低至更低 移动电话辅助切换移动电话辅助切换MAHO(MobileAssistedHandOff):300msD-AMPS(DigitalAdvancedMobilePhoneSystem)(a)支持3个用户的D-AMPS信道.
82、(b)支持6个用户的D-AMPS信道.GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)每个频段每个频段(Eachfrequencyband):200kHz(D-AMPS:30kHz)上行信道上行信道:890.2914.8MHz下行信道下行信道:935.2959.8MHz124对单工信道对单工信道(200kHz)GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)每个信道每个信道:8个时隙个时隙TDM系统系统148-bit数据数据:000信息信息(57-bit)v/d同步同步(26-bit)v/d信息信息000TDM帧帧:8个数据帧个数
83、据帧多帧多帧:26个个TDM帧帧(120ms)24个帧个帧用户流量用户流量GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)51个时隙个时隙多帧多帧(formanagement)广播控制信道广播控制信道(broadcastcontrolchannel)基站输出标识和信道状态基站输出标识和信道状态(basestationoutputidentityandchannelstatus)专用控制信道专用控制信道(dedicatedcontrolchannel)GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)位置更新位置更新,注册和呼叫建立注
84、册和呼叫建立(forlocationupdating,registration,andcallsetup)公共控制信道公共控制信道(commoncontrolchannel):3逻辑子信道逻辑子信道(logicalsubchannels)呼叫信道呼叫信道(pagingchannel)随机访问期间信道随机访问期间信道(randomaccesschannel)访问授权信道访问授权信道(accessgrantchannel)GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)GSM使用124个频道,每个频道使用一个8时隙的TDM系统GSM(2)GSM成帧结构的一部分.CD
85、MACodeDivisionMultipleAccess在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常通常m是是64或或128。为说明原理，设。为说明原理，设m=8每个站被指定一个惟一的每个站被指定一个惟一的m比特码片序列。当发比特码片序列。当发送比特送比特1时，就发送它自己的时，就发送它自己的m比特码片序列，而发送比特码片序列，而发送比特比特0时就该时就该m比特码片序列的二进制反码。比特码片序列的二进制反码。例如，例如，S站的站的8比特码片序列是比特码片序列是00011011，当发，当发1时就发时就发送送00011011，当发，当发0时就发送时就发送111001
86、00。CDMACodeDivisionMultipleAccess为方便讲解，采用双极型的形式，将为方便讲解，采用双极型的形式，将0由由-1代替，代替，1由由+1代替。代替。S站的码片序列是（站的码片序列是（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）。）。设设S站站发发送送数数据据速速率率为为bbps。要要每每一一个个比比特特m比比特特码码片片序列，序列，实际上发送数据速率就要提高到实际上发送数据速率就要提高到mbbps。同时占的频宽也同时占的频宽也得提高得提高m倍。这就是扩频通信倍。这就是扩频通信(spreadspectrum)中的中的一种：直接序列一种：直接序列(directsequ
87、ence)。另一种是跳频另一种是跳频(frequencyhopping)。CDMACodeDivisionMultipleAccess每每个个站站有有惟惟一一的的码码片片序序列列。用用向向量量S表表示示站站S的的码码片片向向量量，S为为它它的的反反。两两个个不不同同站站的的码码片片序序列列正正交交，即向量即向量S和和T的内积为的内积为0：ST=(m)-1SiTi=0SS=(m)-1SiSi=(m)-1Si2=(m)-1(1)2=1SS=-1CDMACodeDivisionMultipleAccess若若两两各各或或两两个个以以上上的的站站同同时时开开始始发发送送，它它们们的的双双极极性性信信号
88、号就就线线性性相相加加。比比如如，在在某某一一个个码码片片内内，3个个站站输输出出+1，一一个个站站输输出出-1，结结果果输输出出+2。（可可以以看看成成电压相加）电压相加）例如，例如，4个站的码片序列个站的码片序列CDMACodeDivisionMultipleAccess(a)4个站的二进制码片序列(b)码片序列的双极表示(c)6个传输示例(d)C站信号的恢复过程第二代的特性(Thecharacteristicsofsecondgeneration)a)第第二二代代数数字字移移动动蜂蜂窝窝通通信信系系统统除除了了在在第第一一代代模模拟拟移移动动通通信信的的基基础础上上进进一一步步提提高高了
89、了频频谱谱利利用用率率、扩扩大大系系统统容容量量并并增增加加非非话话音音业业务务外外，还还把把IC卡卡（即即SIM卡卡）技技术术应应用用于于其其安安全全保保密密措措施施之之中中，原原则则上上杜杜绝绝了了移移动动通通信信中中的的“盗盗号号”与与“扒扒机机”现现象象。IC卡卡的的应应用用为为移移动动电电话话的的安安全全使使用用起起到到了了关关键性的作用。键性的作用。第二代的特性(Thecharacteristicsofsecondgeneration)b)由于超大规模集成技术的应用，移动台和基站的体积、重由于超大规模集成技术的应用，移动台和基站的体积、重量和功率可以大大降低，同时手机的升级换代迅速
90、，各项量和功率可以大大降低，同时手机的升级换代迅速，各项功能极为丰富，品牌和式样也较多。特别是中文字幕手机功能极为丰富，品牌和式样也较多。特别是中文字幕手机和国产手机的流行，以及包括记事簿功能、个人数字处理和国产手机的流行，以及包括记事簿功能、个人数字处理功能、游戏、寻呼等多功能手机的开发与应用。功能、游戏、寻呼等多功能手机的开发与应用。2.6.3第三代移动电话:数字语音和数据(DigitalVoiceandData)除了传语音和数据外，还能传除了传语音和数据外，还能传2Mbps高质量的活动图像高质量的活动图像真正实现：真正实现：Whoever（任何人）任何人）Wherever（任何地点）任何
91、地点）Whenever（任何时间）任何时间）Whomever（任何对方）任何对方）Whatever（任何形式）任何形式）通信通信2.6.3第三代移动电话:数字语音和数据(DigitalVoiceandData)IMT-2000(InternationalMobileCommunication)数字数字2000代表了三层意思代表了三层意思希望在希望在2000年开始使用年开始使用期望运行在期望运行在2000MHz的频率上的频率上带宽带宽:2000kHz2.6.3第三代移动电话:数字语音和数据(DigitalVoiceandData)IMT-2000网络预期给用户提供的基本服务网络预期给用户提供的基
92、本服务:高质量的语音传输高质量的语音传输消息服务消息服务(代替电子邮件代替电子邮件,传真传真,SMS,聊天等聊天等.)多媒体多媒体(音乐音乐,视频视频,电影电影,电视等电视等.)Internet访问访问(web浏览浏览,包括带音频和视频包括带音频和视频的页面的页面.)2.6.3第三代移动电话:数字语音和数据(DigitalVoiceandData)以美国以美国Qualcomm公司为首的倡导者提出了公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用在蜂窝移动通信系统中采用CDMA技术的系统实技术的系统实现方案。通过理论分析和不断的现场实验，证明现方案。通过理论分析和不断的现场实验，证明CDMA具有许
93、多具有许多TDMA技术所没有的独特的属性，技术所没有的独特的属性，并认为并认为CDMA是移动通信环境下获得大容量和高是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期模质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期模拟系统容量不足的问题，也是一种通往个人通信拟系统容量不足的问题，也是一种通往个人通信的长期解决办法。的长期解决办法。2.6.3第三代移动电话:数字语音和数据(DigitalVoiceandData)提出的无线传输方案：提出的无线传输方案：10种地面技术，种地面技术，6种卫星种卫星10种地面技术：有种地面技术：有8种种FDD（频分双工）频分双工）6种种TDD（时分双工）
94、时分双工）ITU对上述方案进行了必要的技术融合，最终形成对上述方案进行了必要的技术融合，最终形成最具代表性的最具代表性的IMT-2000技术标准，其中所涉及的技术标准，其中所涉及的CDMA技术可以分为技术可以分为3类：类：WCDMA（WidebandCDMA):1-5CDMA2000:7-8TD-SCDMA:6WCDMAUMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem) 在在5MHz带宽内使用带宽内使用3.84Mcps的码片速率的码片速率 采用多种技术（快速功率控制，时分复用导频信号，采用多种技术（快速功率控制，时分复用导频信号，自适应天线等）来提高系统
95、容量，对一般话音业务自适应天线等）来提高系统容量，对一般话音业务至少提高两倍。至少提高两倍。 最高可支持最高可支持2Mbps的数据业务；支持在一条连线上传的数据业务；支持在一条连线上传输多条并行业务；支持高速率的分组接入。输多条并行业务；支持高速率的分组接入。WCDMA共享功率使共享功率使WCDMA能灵活地处理具有不同速率的业能灵活地处理具有不同速率的业务务 对不同的对不同的QoS要求的业务进行不同的信道编码要求的业务进行不同的信道编码 带宽不同的电路交换和分组交换业务可自由组合带宽不同的电路交换和分组交换业务可自由组合 采用更加灵活的系统操作：支持基站间的异步操作；采用更加灵活的系统操作：支
96、持基站间的异步操作；支持非平衡频带下采用支持非平衡频带下采用TDDCDMA2000为支持更高传送速率和增加系统容量采用为支持更高传送速率和增加系统容量采用Turbo码码 支持多种范围的射频信道带支持多种范围的射频信道带宽宽:1.25/3.75/7.5/11.25/15MHz 快速的前向和反向空中接口的功率控制快速的前向和反向空中接口的功率控制 无线接口在提高系统性能和容量上有明显的优势无线接口在提高系统性能和容量上有明显的优势TD-SCDMA由信产部电信科技研究院（由信产部电信科技研究院（CATT）和德国西门和德国西门子公司合作开发的。它的目标是要确立一个具有子公司合作开发的。它的目标是要确立
97、一个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统。高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统。 采用软件无线电技术进行业务模式的转换采用软件无线电技术进行业务模式的转换 采用智能天线技术来降低了小区间干扰，提高了传采用智能天线技术来降低了小区间干扰，提高了传输容量输容量 支持所有的无线网络结构支持所有的无线网络结构TD-SCDMA 最佳适应于实现无线因特网最佳适应于实现无线因特网 可变化的用户数据速率：可变化的用户数据速率：8kbps2Mbps 由由Besteffort(2G)向向QoS(3G)演变演变 1.28Mcps的的TDD模式模式2.7有线电视(CableTelevision)共天线
98、电视共天线电视(CommunityAntennaTelevision)基于有线电视的基于有线电视的Internet(InternetoverCable)频谱分配频谱分配(SpectrumAllocation)电缆调制解调器电缆调制解调器(CableModems)ADSL与有线电视网与有线电视网(ADSLversusCable)共天线电视共天线电视(CommunityAntennaTelevision)系统的组成系统的组成(thesystemconsistsof):天线天线(Antenna):接收远程信号接收远程信号(pickingupdistantsignals)头端头端(Headend):放
99、大器放大器(anamplifier)同轴电缆同轴电缆(Coaxialcable)分接头分接头(Tap)分支电缆分支电缆(Dropcable)共天线电视共天线电视(CommunityAntennaTelevision)一个早期的有线电视系统(Anearlycabletelevisionsystem).基于有线电视的基于有线电视的Internet(InternetoverCable)HFC(HybridFiberCoax)系统系统光纤节点光纤节点(Fibernode):光电转换器光电转换器头端头端(Headend):CATV头端头端,数字头端数字头端放大器放大器(Amplifier):单向单向(o
100、ne-way),替换成双向替换成双向(two-way)共享电缆共享电缆(Sharingcable):将长的电缆分解成电缆段将长的电缆分解成电缆段(splittinguplongcablesintocablesegments)基于有线电视的基于有线电视的Internet有线电视网(Cabletelevision)基于有线电视的基于有线电视的Internet(2)固定的电话系统(Thefixedtelephonesystem).2.7.3频谱分配(SpectrumAllocation)有线电视系统用于有线电视系统用于Internet访问的频谱分配访问的频谱分配上行信道上行信道(Upstreamch
101、annels):542MHzQPSK2bits/baud下行信道下行信道(Downstreamchannels):TV54550MHz68MHz/信道信道数据数据550750MHzQAM-646bits/baudQAM-2568bits/baudCMTS(CableModemTerminationSystem):智能头端智能头端(anintelligentheadend)2.7.3频谱分配(SpectrumAllocation)一个典型的用于Internet访问的有线电视系统中频率的分配情况2.7.4电缆调制解调器(CableModems)两个接口两个接口:计算机计算机,有线电视网有线电视网(
102、thecablenetwork)电缆调制解调器的标准电缆调制解调器的标准:DOCSIS(DataOverCableServiceInterfaceSpecification电缆调制解调器的工作过程电缆调制解调器的工作过程:(1)扫描下行信道扫描下行信道:系统参数系统参数(systemparameters)(2)测距测距(ranging):到头端到头端(headend)的时延的时延(3)获得它的上行和下行信道获得它的上行和下行信道,微时隙微时隙(minislot)(forupstream)分配分配(assignment)(4)开始发送分组开始发送分组(beginsendingpackets)2.
103、7.4电缆调制解调器(CableModems)在北美地区上行和下行信道的典型细节情况.2.7.5ADSL与有线电视网a)带宽带宽(Bandwidth):ADSL1Mbps/256kbps有线电视网有线电视网:numberofusers?a)用户数增加时用户数增加时(Increasingnumberofusers)ADSL:没有影响没有影响有线电视网有线电视网:影响取决于用户数影响取决于用户数a)可用性可用性(Availability):ADSL:远程用户不可能使用远程用户不可能使用a)安全性安全性(Security):ADSL:点到点通信点到点通信(secure)a)可靠性可靠性(Reliability):ADSL:高高(备用电源备用电源)作业1,2,3,4,18,22,53
