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第二章现代通信网基础技术及其发展2.1通信网2.2现代通信网的结构2.3现代通信网传输技术2.4交换技术2.5通信协议2.6通信网路由选择2.7拥塞和流量的控制2.8信令及接口2.1通信网2.1.1通信网一般组成如图2.1所示，通信网是由若干用户终端A，B，C，…，并通过传输系统链接起来。用户终端之间通过一个或多个节点链接，在节点处提供交换、处理网络管理等功能。链路DEFCB145763用户线节点电路用户终端干线用户线A图2.1通信网一般组成2.1.2通信网组成的基本要素一、终端设备终端设备是通信网中的源点和终点，它除对应于信源和信宿之外还包括了一部分变换和反变换装置。终端设备主要功能是：第一种功能是发送端将发送的信息转变成适合信道上传送的信号，接收端则从信道上接收信号，并将之恢复成能被利用的信息，第二种功能是能产生和识别网内所需的信令信号或规则，以便相互联系和应答。二、传输系统传输系统是指完成信号传输的媒介和设备总称。1．传输信道传输信道简称信道，是通信者两点间单向或双向传输信号的通道，包括传输媒介和中间装置。2．电路电路是通信者两点间实现信号双向传输的两条传输信道的组合，以提供一个完整的通信过程。3．用户环路用户环路也称为本地线或用户线，是一个节点和用户设备或用户分系统之间简单的固定连接。4．链路传输全链路简称链路，是指两个相邻节点间或终端设备和节点之间的信道（或电路）段，通常是指两个配线架之间的一段。5．干线一条干线可以由一条或多条串联的链路组成。两个交换中心或节点之间通过干线连接。干线连接通常是以交换为基础，由许多用户复用或用户分系统复接的大容量电缆、光纤或无线电传输通路，在干线的两端提供适合节点工作的设备，例如复接器。6．节点节点是用户环路和链路或链路之间的分配点。节点配备设备的范围可以从二线/四线混合线圈，到包括电路或信息交换、接线、信号处理、业务管理和技术控制等非常复杂的设备。三、交换设备交换设备根据寻址信息和网控指令进行链路连接或信号导向，以使通信网中的多对用户建立信号通路，交换设备以节点的形式与邻接的传输链路一起构成各种拓扑结构的通信网，是现代通信网的核心。2.2现代通信网的结构2.2.1网络的基本拓扑结构一、网状网多个节点或用户之间互连而成的通信网称为网状网，也叫直接互连网（完全或部分互连网），如图2.3（a）所示。(a)网状网(b)星型网(c)复合型网(d)环型网(e)总线型网二、星型网星型网拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干外围节点（或终端）连接起来的辐射式互连结构。三、复合型网复合型网是由网状网和星型网复合而成的网络，如图2.3（c）所示。四、环型网如果通信网各节点被连接成闭合的环路，则称为环型网，如图2.3（d）所示。（1）在环路中，每个节点的地位和作用是相同的，每个节点都可以获得并行使用控制权，很容易实现分布式控制。（2）不需要进行路径选择，控制比较简单。因为在环型网中，路径只有一条，不存在为信息规定路径的问题。（3）网中传送信息的延迟时间固定，有利于实时控制。（4）可采用高速数字式传输信息，不需要调制解调器，接口线路及连接结构比较简单。五、总线型网总线型网把所有的节点连接在同一总线上，是一种通路共享的结构。（1）具有良好的扩充性能。（2）可以使用多种存取控制方式，例如，载波侦听多路访问/碰撞检测方式（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMACD）、通行标志方式和时间片方式等。（3）不需要中央控制器，有利于分布式控制。节点的故障不会引起系统的崩溃。2.2.2等级制网络结构在通信网中，由本地接入网、多级汇接网组成的网络结构称为等级制网络结构。一、等级制网络结构的组成等级制网络结构中，涉及本地接入和汇接的概念。用户终端通过用户线和接入交换机（或称本地交换机）连接而形成本地接入，本地用户可直接通过本地交换完成相互通信。1．用户线它是用户的电话机和市话局交换机连接的媒介，使用户终端接入电话通信网。2．市内中继网它将各个交换区市话局通过中继线互连起来，并将市话局连接至市话汇接局。3．区域长途电话通信网市话汇接局和区域（如省）长话汇接局通过区域中继干线互连，提供区域长途电话通信业务。4．国内长途电话通信网区域汇接局和国内中心汇接局通过国内中继干线互连，提供全国范围内各地区之间的长途电话通信业务，形成国内长途电话通信网。5．国际长途电话通信网国内汇接局和国际接口局连接，由国际接口局和国际线路组成国际长途电话网。二、等级制网络结构的实例图2.4给出的等级结构网络是一种理想化的网络。一个实际的通信网由于本地区的地理状况或设备的布局问题而有许多折衷方案。…国际网长途网本地网国际接口局(一级长途交换中心)国内汇接局(二级长途交换中心)区域汇接局(三级长途交换中心)市话汇接局(初级长途交换中心)市话局…………用户线图2.4典型的交换中心等级制的理想形式框图第一级为大区中心，也称为省间中心局，是汇接一个大区内各省之间的电话通信中心，局间都设立直达电路，为完全互连方式的网状网结构。第二级为省中心局，是汇接省内各地区之间的电话通信中心。第三级为地区（市）中心局，是汇接本地区各县（区）的电话通信中心，是长话网的末端局，同样要求地区中心局至本省中心局具有直达路由。2.3现代通信网传输技术2.3.1多路复用技术一、频分多路复用（FDM）1．FDM的基本原理FDM是把一条公共信道上可用的传输频段分割成多个较窄的频带，并使每个窄带都变成为一个独立信道的复用技术。2．FDM的特点FDM的主要优点是容易实现，技术成熟，能较充分地利用信道带宽。但其缺点也是明显的。因为，保护频带占用了一定的信道带宽，从而大大降低了FDM的效率；信道的非线性失真改变了它的实际频率特性，易造成串音和互调噪声干扰；所需设备随输入路数增加而增多，不易小型化；FDM不提供差错控制技术，不便于性能监测。二、时分多路复用（TDM）1．TDM的原理TDM是一种按规定的间隔，并在时间上相互错开，在一条公共信道上传输多路信号的复用技术。2．TDM的特点TDM的主要优点是：不存在保护频带，可有效地提高信息传输效率；信道占用频带窄，容量大。其主要缺点是：通信双方时隙必须严格保持同步。三、统计时分复用（STDM）1．问题的提出在TDM系统中，以固定分配时隙的方式对来自多个设备的数据源进行组合，然后在单一的公用信道上传输。2．STDM原理与传统TDM一样，STDM可与n条低速输入线路相连，由于每条输入线路并非一直有数据输入，因此STDM时隙数k可小于n，这说明复用信道上数据速率可低于各个输入线路速率之总和。3．STDM帧格式和其他考虑STDM使用的帧格式对系统性能有一定的影响，一般应减少用于管理的附加信息。2.3.2准同步数字系列和同步数字系列一、准同步数字系列（PlesynchronousDigitalHierarchy，PDH）1．PDH概念原CCITT推荐了两类准同步数字复接系列。北美和日本等国采用24路系统，即以1.544Mbit/s作为一次群（基群）的数字速率系列；欧洲和中国等国家采用30/32路系统，即以2.048Mbit/s作为一次群的数字速率系列。2．PDH存在的问题随着现代通信网的发展和用户要求的日益提高，PDH暴露出以下几个问题，难以适应长距离和大容量数字业务的发展，难以满足网络控制和管理的需要。（1）国际上1.544Mbit/s和2.048Mbit/s这两种系列难以兼容，给国际连网带来困难，而且向更高群次发展在技术上也有较大的困难。（2）没有世界性的标准光接口规范，导致各国厂商开发的不同光接口无法在光路上互通，惟有通过光电转换成G.703标准接口后才能互通，限制了连网应用的灵活性，也增加了网络设备复杂性和运行成本。（3）从组网角度看，PDH难于从高次群信号中直接分出低次群甚至基群的信号，因此对中继站上、下话路很不方便。（4）随着现代通信网操作、维护和管理等要求的不断提高，需要传输的网控信息越来越多，现有的PDH各级帧结构所预留的少量比特已经不能适应这一发展的要求。二、同步数字系列（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）1．SDH概念原CCITTG.707的建议中，对同步转移模式STM-1（SynchronousTransferMode）155.5201Mbit/s以上（从STM-1至STM-4至STM-16）的更高速率都采用高一级的速率正好等于低一级的4倍，即STM-1为155.5201Mbit/s；STM-4为622.0804itMb/s；STM-16为2488.3216Mbit/s。这样的复接系列称为SDH。2．SDH复接结构原CCITT建议G.709规定了SDH的一般复接结构，如图2.12所示。图2.12SDH的同步复接结构示意图3．SDH帧格式原CCITT建议（G.709）规定了SDH帧格式，SDH帧格式是页面帧，而PDH的帧格式是条状的。4．SDH的主要特点（1）把世界上现在并存的两种数字系列融合在统一的标准之中，在STM-1等基础上得到统一，实现数字通信传输体制上的世界性标准。（2）采用数字复接，适应交换技术的发展。（3）页面帧格式，安排了丰富的用于维持管理的比特，使网络的维护管理能力大大加强。（4）有一套特殊灵活的复接结构和指针调整技术，解决了节点之间的时钟差异带来的问题。（5）光接口综合各种不同的网络单元，传输和复接不必分开，简化了硬件，同时光接口成为开放性接口，可以在光路实现横向兼容。（6）SDH信号结构的设计已经考虑网络传输和交换应用的最佳性，便于组织ISDN和B-ISDN。2.3.3现代通信网常用传输信道一、无线传输信道无线传输信道中信息主要是通过自由空间进行传输的，但必须通过发射机系统、发射天线系统、接收天线系统和接收机系统，才能使携带信息的信号正常传输，从而组成—条无线传输信道。1．长波信道长波信道所使用的频率是在300kHz以下，波长在1000m以上。2．中波信道中波信道的频率在0.3～3MHz或波长在100～1000m范围内。3．短波信道短波信道的频段从3～30MHz，波长从10～100m，也称为高频（HighFrequency，HF）信道。4．超短波信道超短波信道的频率范围通常认为是30～3000MHz。更细一些划分，其中30～300MHz称为甚高频（VeryHighFrequency，VHF），300～3000MHz称为特高频（UltraHighFrequency，UHF）。5．微波信道3000MHz以上的波段，通常就泛称为微波，它在现代通信网中占有重要地位。6．卫星信道卫星信道是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行通信的信息传输信道，如图2.15所示。通信卫星空中移动站电缆或光缆可搬移站指挥所移动站电缆或光缆控制中心跟踪遥测指令站海上移动站固定站通信枢纽微波接力图2.15卫星通信示意图7．散射信道在现代通信网的微波通信方式中，还常用散射信道。散射信道利用对流层和电离层的不均匀性或流星余迹，对于一定仰角的电磁波射束在上层空间中，有一部分电磁波能量可回到地面而被接收到的散射现象，构成散射信道。二、有线传输信道在有线传输信道中，电磁波是沿有形媒介传播的，而且通常是构成直接信息流通的通路，适宜于基带传输或频带传输。1．架空明线最早的有线信道是架空明线，信道由在一系列竖立的电杆上，把导线架在线杆的绝缘子上而构成。2．平衡电缆平衡电缆（也称双绞线）中每对信号传输线间的距离比明线小，而且包扎在绝缘体内。3．同轴电缆同轴电缆是容量较大的有线信道。常用的同轴电缆有两种：一种管外径为4.4mm的小同轴；另一种外径为9.5mm的中同轴。4．光纤信道光纤信道是以光为载波，以光导纤维（简称光纤）为传输介质的一种通信信道。由于光纤信道具有一系列优异的特性，因此，光纤通信技术近年来发展速度之快、应用面之广