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第6章物联网通信系统与传输网•主要掌握物联网通信系统结构、通信网的基本概念与构成要素。•掌握并理解时分复用、SDH数字传输系统的原理。•掌握数据通信网的基本概念、数据交换原理与技术，了解数据通信网中的分组交换网、帧中继网、ATM通信网的基本原理与特点。本章学习目标•物联网通信系统结构•通信网的构成三要素•时分复用与SDH数字传输系统•数据通信网的构成•分组交换网、帧中继网、ATM通信网本章知识点6.1物联网通信系统基本结构在物联网中，通信系统的主要作用是将信息可靠安全地传送到目的地，由于物联网具有异构性的特点，这就使得物联网所采用的通信方式和通信系统也具有异构性和复杂性。在信息传输方面，虽然采用的是以数据为主的通信手段，但在承载平台上却采用了不同模式的有线、无线通信方式；在所采用的通信协议方面，网络传送层采用了基于IP的通信协议，但在感知控制层却采用了多种通信协议，如X.25、基于工业总线的接口和协议、ZigBee等。因此，物联网的感知控制层的通信方式最为复杂。物联网通信系统结构•感知控制的通信目的是将各种设备传感设备（或数据采集设备以及连同的控制设备）所感知的信息传在较短的通信距离内送到信息汇聚系统，并由该系统传送（或互联）到网络传输层，其通信的特点是传输距离近，传输方式灵活、多样。•感知控制层通信系统所采用的技术主要分为短距离有线通信、短距离无线通信和无线传感网络。（1）感知控制层通信系统•网络传输层是由数据通信主机（或服务器）、网络交换机、路由器等构成的，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统，其基本结构如图6.1.2所示。（2）网络传输层通信系统•在物联网中，互联网是信息的主要载体，互联网实际上是海量的网络设备通过通信网相互连接起来的信息网络。这些信息的传输、交换、融合、处理、以及分布式存储均需要通过通信网络的传送来完成，因此可以说通信网是互联网的基础，同时必然也是物联网的基础。6.2通信网与SDH6.2.1通信网的基本概念•通信网是由一定数量的终端设备和交换设备组成结点与连接结点的传输链路相互有机地组合在一起协同工作，来实现两个或多个规定结点间信息传输的通信体系。可以说通信网是相互依存、相互制约的许多要素组成用以完成规定功能的有机整体。通信网是能够在多个用户间相互传送信息的网络，我们常见的电话网、互联网等均是通信网。1通信网的基本概念•终端设备、交换设备、传输设备及协议构成了通信网的基本要素。2通信网的构成要素•终端设备是通信网中的源点和终点，也就是通信系统中的信源和信宿。它除了对应于通信系统的信源和新宿外，还包含了一部分变换和反变换系统外。终端设备两个主要功能：•第一是信息的变换与反变换功能。发送端将发送的信息转换为适合于信道上传输的信号，接收端则接收信道的信号，并通过反变换还原成发送端发送的信息；•第二是能产生和识别通信网内所需要的信令信号或规则，完成一系列控制动作以便终端间或结点间能相互联系和相互应答。•常用的终端设备有音频通信终端、图形图像通信终端、视频通信终端、数据终端、多媒体通信终端等。（1）终端设备•交换设备是实现一个终端设备和它所要求的另一个或多个终端设备之间的接续、或提供非连接传输链路的设备和系统，是构成通信网中结点的主要设备。•交换设备以结点的形式与传输链路一起构成了各种各样拓扑结构的通信网。•不同的业务网对交换设备性能的要求也不同。对于电话网，要求交换产生的时延要非常小。•常用的交换技术有电路交换、报文交换和分组交换。（2）交换设备•传输设备是实现将信号从一个地点传送到另一个地点的设备，它构成了通信网中的传输链路。传输设备由传输线路和各种收发设备组成，如光纤（光缆）、光端机等。（3）传输设备•仅仅将终端设备、交换设备和传输设备连接起来还不能很好地完成信息的传递和交换。就如计算机仅有硬件无法正常使用一样，通信网也需要相应的软件使其正常的运转，这些“软件”就是通信网中的规章与规程，包括通信网的拓扑结构、通信网内信令、协议和接口、通信网的技术体制和标准等。另外，还有通信网的组织与管理等。上述这些规章规程是实现通信网运营的重要支撑条件。（4）规章与规程•（1）根据业务种类可以分为电话网、电报网、传真网、广播电视网、数据网等；•（2）根据所传输信号的形式可以分为数字网和模拟网；•（3）根据组网方式可以分为固定通信网和移动通信网；•（4）根据服务范围可以分为本地网、长途网和国际网；•（5）根据运营方式可以分为公用通信网和专用通信网；3通信网的分类•为了使通信网能快速、有效、可靠地传送信息，充分发挥网络的效能，对通信网提出了三项基本要求，即要求接通的任意性与快速性，信号传输的透明性与传输质量的一致性，网络的可靠性与经济合理性。4通信网的质量要求6.2.2通信网的基本拓扑结构与分层•通信网的基本拓扑结构有网形、星形、复合形、总线形、环形、线形和树形结构。1通信网的基本拓扑结构•（1）OSI模型与分层的作用•（2）垂直分层2通信网的分层结构•从通信网纵向分层的观点来看，可根据不同的功能将网络分解成多个功能层，上下层之间的关系为客户/服务者的关系。通信网的纵向分层结构式网络演进的焦点，而开放系统互联(OSI)7层参考模型是人们普遍认可的分层方式。（1）OSI模型与分层的作用•物理层：该层的任务是透明地传送信息比特流，在物理层上所传输的数据是以比特为单位的。物理层还需要确定接口方式，如电缆的插头引脚，以及如何连接等。•数据链路层：该层的任务是在两个相邻结点间的链路上，实现以帧为单位的无差错的数据传输。每一帧包括数据和必要的控制信息。在传送信息时，若接收结点检测到所接收的数据中有差错，就通知发送结点重发该帧，直到正确为止。在帧的控制信息中，包括了同步、地址、差错控制以及流量控制等信息，这样数据链路层就把一条可能出差错的实际链路转换为了一个让网络看来无差错的链路。•网络层：在该层中，数据传送的单位是分组或包，该分组或包是由运输层下达到网络层的。网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送结点的数据分组能够正确无误地按照地址找到目标结点，并交付给目标结点的运输层。•运输层：在运输层，信息的传送单位是报文，当报文较长时，先将其分割为若干个分组，然后下达给网络层进行传输。运输层的任务是根据下面通信网的特性，以最佳的方式利用网络资源，并以可靠经济的方式为发送结点和接收结点建立一条运输连接，来透明地传送报文。运输层为上一层进行通信的两个进程间提供了一个可靠地端到端的服务，使得运输层以上各层不必关心信息是如何传送的。•会话层：会话层不参与具体的数据传输，但该层却对数据传输给予了管理。它在两个相互通信的进程之间进行组织、协调和建立。•表示层：该层主要解决了用户信息的语法表示。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法变换为适合于OSI内部使用的语法。•应用层：该层对应用进程进行了抽象，它只保留应用进程中与进程间交互有关的那些部分。经过抽象后的应用进程就成为了OSI应用层中的应用实体。OSI的应用层并不是把各种应用进行了标准化，应用层所标准化的是一些应用进程经常使用的功能，以及实现这些功能所应用的协议。•OSI七层模型对网络进行了较为细致复杂的分层划分，但目前按照七层结构建立的通信网是不存在的。实际构建网络时可灵活应用层次划分的原则。•网络的分层使网络的规范化和实施无关，但该划分的原则使得网络设计和构建时各层的功能相对独立，也就是说，单独设计、构建和运行每一层要比将整个网络作为一个单个实体要简单地多。网络中的各层当需要演进时，只要保持上下两层的接口功能不变，就不会影响整个网络的运行，因此保持各层次间接口的相对稳定，对整个网络的分布演进具有非常重要的作用。分层的作用（2）垂直分层•数字通信的所采用的常规传输系统是PCM通信系统，PCM通信系统的发展经历了PDH和SDH阶段。目前SDH广泛应用于长途骨干电信网的传输。6.2.3SDH传输网•时分复用传输系统可以分为：•准同步数字系列(Ple-synchronousDigitalHierarchy，PDH)•同步数字系列(SynchronousDigitalHierarchy，SDH)。1PDH数字传输系统•时分复用指的是各路信号在同一信道上占用不同时间间隙（称为时隙）进行的通信。具体地说，把时间分成一些均匀的时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。（1）时分复用时分复用原理•为了使收、发两端用户能在时间上一一对应，即收、发两端的C1、C2和C3能准确地对应接通，一定要在发送端加入起始标志码，在接收端设有标志码识别和调整装置。当相应位置发生错误时，该装置应有自动调整能力使其调整到正确的位置。在时分复用系统中，用“帧同步”来表示标志码的识别和调整功能。•为了保证正常通信，时分复用系统中收、发两端必须严格保持同步，同步是指时钟频率同步和帧中的时隙同步。•时钟频率的同步：使接收端的时钟频率与发送端的时钟频率相同，这相当于图6.2.10中两端旋转开关的旋转速度相同。•帧中时隙的同步：在接收端要识别判断发送端来的标志时隙位置是否与发送端的相对应，若不对应则需进行调整使其对应，这相当于图6.2.10中旋转开关的起始点位置相同。•在时分数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。•数字复接技术就是把两个或两个以上的分支数字信号按时分复用方式汇接成单一的复合数字信号，即数字复接技术是解决PCM信导由低次群到高次群的合成技术，是将PCM数字信号由低次群逐级合成为高次群以适于在高速线路中传输的技术。（2）数字复接技术•数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成。数字复接器是把两个或两个以上的低次群支路按时分复用的方式合并成一个高次群数字信号的设备。它由定时、码速调整和数字复接单元组成，完成数码流的合路。•数字分接器是将一个合路的高次群数字信号分解成原来的低次群数字信号。它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成，在接收端把收到的高次群合路数码流分离到各分支路。数字复接器和数字分接器ITU-T推荐了两类数字速率系列和复接等级表6.2.1ITU-T推荐的两类数字速率系列和复接等级国家和地区一次群（基群）二次群三次群四次群北美24路1.544Mbit/s96路(24×4)6.312Mbit/s672路(96×7)44.736Mbit/s4032路(672×6)274.176Mbit/s日本24路1.544Mbit/s96路(24×4)6.312Mbit/s480路(96×5)32.064Mbit/s1440路(480×3)97.728Mbit/s欧洲/中国30路2.048Mbit/s120路(30×4)8.448Mbit/s480路(120×4)34.368Mbit/s1920路(480×4)139.264Mbit/s•同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制复接的几个低次群，使它们的码速率统一在主时钟的频率上，这样就能达到系统同步的目的。但为了满足在接收端分解的需要，还需插入一定数量的帧同步码。为了使数字复接器、数字分接器正常工作，还需加入对端告警码以及邻站监测和勤务联系等业务码。以上各种插入的码元统称为附加码，由于需要插入这些附加码，就会使码速率高于原信息码的码速率，因此需要进行码速变换。•另外，在复接之前还要进行移相，移相和码速变换都是通过缓存寄存器来完成的。（3）同步复接与异步复接•ITU-T规定以2.048Mbit/s为一次群的PCM，二次群的码速率是8.448Mbit/s，而不是4×2.048Mbit/s＝8.192Mbit/s。•考虑到4个PCM一次群在复接时插入了帧同步码、对等告警码等附加码，因此，在码速变换时要为插入的附加码留出空位，从而使每个基群的码速率由2.048Mbit/s提高到2.112Mbit/s，这样二次群的码速率就变为4×2.112Mbit/s＝8.448Mbit/s。•异步复接指的是各低次群使用各自的时钟，使得各低次群的时钟速率不一定相等，因此先要进行码