通信实务—1.现代通信网概述

一、通信网的定义

1.通信网的定义

1.1 通信系统

(1)通信系统的定义

通信(Communication)是人与人或人与自然之间通过某种行为或介质进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下无论采用何种方法、使用何种介质，将信息从某方准确、安全地传送到对方。而电信(Telecommunication)则是指利用电子技术在不同的地点之间传递信息的通信方式，即电信是通信的一种方式。为了便于描述，以下采用通信与电信等同的概念。

完成信息的传递和交换要通过一套设备实现，将一个用户的信息传递到另一个用户的全部功能实体就组成了一个通信系统，即通信系统就是用电信号（或光信号）传递信息的系统，也叫电信系统。

(2)通信系统的分类

①按通信业务分类：可以分为电话、电报、传真、广播电视、数据通信系统等。

②按传输的信号形式分类：可以分为模拟通信系统和数字通信系统等。

(3)通信系统的组成

基本组成包括信源、发送设备、信道、噪声源、接收设备及信宿几个部分。

①信源。信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号。

②发送设备，发送设备的作用是将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合于在信道中传输的信号，即将发送信号的特性和信道特性相匹配，使其具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。

③信道。信道是一种物理介质，是信号传输的通道，可分为无线和有线两种形式，在无线信道中，信道是自由空间：在有线信道中，信道可以是电缆和光纤等。

④接收设备。接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号，对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。

⑤信宿。信宿是信息的接收者，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息。

⑥噪声源。噪声源是系统内各种干扰影响的等效结果。系统的噪声米自各个部分，从发出和接收信息的周边环境、各种设备的电子器件，到信道所受到的外部电磁场干扰，都会对信号形成噪声影响。为了分析问题方便，将系统内所存在的干扰均折合到信道中，用噪声源表示。

1.2 通信网的定义

(1)通信网的形成

假设用户数量为N,当N增加时，用户之间的电路数量按N*(N-1)≈N²增加，这些电路的最高可能的利用率按1/Nx(-1)≈1/N²降低。

当N比较小，同时两点之间话务量比较大时，基本电信系统是一个比较好的方案，理论上存在的“N²问题”，并不会形成工程问题。这就是基本电信系统之所以能够得到工程应用的原因。

当N比较大，同时两点之间话务量比较小时，“N² 问题”就形成了工程问题。在实际工程应用中，电信用户数量必然增加，电信设施必然考忠建设成本和应用效率。这时“N²问题”就成了经济问题，而经济问愿是通信网络建设必须考虑的基本问题。所以，必须解决基本电信系统的“N²问题”。

在用户数量不变的前提下，应尽可能减少传输系统的数量。实现该目标的一个基本设想就是，把就近的用户信号先集中起来，然后再做远距离复用传输：与此同时，必须解决寻址问愿使得集中之前的用户信号能够找到集中点，分散之后的用户信号能够找到各自的归宿。利用复用技术，在一条远距离干线传输系统中传递多路信号，这样做减少了远程传输电路数量，提高了远程传输系统的利用效率，利用寻址技术直接实现了与近处用户之间的用户信号交换，同时实现了通过远程传输系统与远处用户之间的用户信号交换。复用技术和寻址技术的使用减少了连接用户的近程传输电路数量，提高了远程传输系统的利用效率。

采用复用技术和寻址技术，支持同样数量的用户之间通信，用户之间的电路数量明显减少了，各条干线的利用效率也明显增加了。即采用复用技术和寻址技术，解决了基本电信系统存在的“W问题”，同时，也把基本电信系统发展成为通信网络。概括来说，利用复用和寻址技术的方法，解决了基本通信系统的经济问题，出现了通信网络。通信网络可能是分级网络，也可能是分区网络。

(2)通信网的定义

通信网是由一定数量的节点（包括终端设备和交换设备)和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。通信网是由相互依存、相互制约的许多要素组成的有机整体，用以完成规定的功能。通信网的功能就是要适应用户呼叫的需要，以用户满意的程度传输网内任意两个或多个用户之间的信息。

2.通信网的构成

2.1 通信网的构成要素

通信网在硬件设备方面的构成要素是终端设备、传输链路和交换设备。为了使全网协调、合理地工作，还要有各种规定（如信令方案）、各种协议、网络结构、路由方案、编号方案、资费制度与质量标准等，这些均属于软件。即一个完整的通信网除了包括硬件以外，还要有相应的软件。下面重点介绍构成通信网的硬件设备。

A.终端设备。终端设备是用户与通信网之间的接口设备，它包括信源、信宿与发送设备、接收设备的一部分。终端设备的功能有以下3个。

①将待传送的信息和在传输链路上传送的信号进行相互转换。在发送端，将信源产生的信息转换成适合于在传输链路上传送的信号：在接收端则完成相反的变换。

②将信号与传输链路相匹配，由信号处理设备完成。

③信令的产生和识别，即用来产生和识别网内所需的信令，以完成一系列控制作用。

B.传输链路。传输链路是信息的传输通道，是连接网络节点的介质。它一般包括图1-1中的信道与发送设备、接收设备的一部分。

狭义信道是单纯的传输介质（如一条电缆）：广义信道除了传输介质以外，还包括相应的发送和接收设备（或通信设备）。由此可见，我们这里所说的传输链路指的是广义信道。传输链路可以分为不同的类型，每种类型各有不同的实现方式和适用范围。传输介质就是通信线路，通信线路可分为有线和无线两大类。有线通信线路主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等：无线通信线路是指传输电磁信号的自由空间。

①双纹线电缆。双纹线是由两条相互绝缘的铜导线扭绞起来构成的，一对线作为一条通信线路。通常，一定数量这样的导线对捆成一个电缆，外边包上硬护套。双绞线可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号，其通信距离一般为几千米到几十千米。由于电磁耦合和集肤效应，线对的传输衰减随着频率的增加而增大，故信道的传输特性呈低通型特性。双纹线成本低廉且性能较好，所以在数据通信和计算机通信网中是一种普遍采用的传输介质。目前，在某些专门系统中，双绞线在短距离传输中的速率已达100Mbit/s~I55 Mbit/s。

②同轴电缆。同轴电缆也像双绞线一样由一对导体组成，但它们是按同轴的形式构成线对，其中，最里层是内导体芯线，外包一层绝缘材料，外面再套一个空心的圆柱形外导体，最外层是起保护作用的塑料外皮。内导体和外导体构成一组线对。应用时，外导体是接地的，故同轴电缆具有很好的抗干扰性，并且比双纹线具有更好的频率特性。但是，同轴电缆与双绞线相比成本较高。与双纹线信道的传输特性相同，同轴电缆信道的传输特性也是低通型特性，但它的低通频带要比双绞线的频带宽。

③光缆。光缆的结构和电缆的结构类似，主要由缆芯、加强构件和护层组成，光缆中负责传送信号的是光纤，若干根光纤按照一定的方式组成缆芯，光纤由纤芯和包层组成。纤芯和包层的折射率不同，利用光的全反射使光能够在纤芯中传播。光纤通信是以光波为载频传输信号、以光缆为传输线路的通信方式。光波是一种频率在10Hz左右的电磁波，波长范围在近红外区内，一般采用的3个通信窗口波长分别为0.85μm、1.31μm和1.55μm.

光纤通信近具有以下突出的优点：

a.传输频带宽，通信容量大。

b.损耗低，尤其是1.55μm附近，衰耗值可低至0.2dB/km,中继距离可达50km。

c.光纤是非金属材料，因此不受电磁干扰，无串音。

d.光纤还具有线径细、重量轻、资源丰富、成本低等优点。

④自由空间。自由空间又被称为理想介质空间，当无线电波在地球外部的大气层中传播时，可认为它是在自由空间中传播。在自由空间中传输的信号易受大气变化等自然环境的影响，包括大气折射引起的衰减、多径衰落、雨衰减等。若是卫星通信，那么还会存在线路长、时延大、衰耗较大等缺点。

C.交换设备。交换设备是构成通信网的核心要素，它的基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接接续和分配，实现一个呼叫终端（用户）和它所要求的另一个或多个用户终端之间的路由选择的连接。

2.2 现代通信网的构成

(1)业务网。业务网也就是用户信息网，它是现代通信网的主体，是向用户提供诸如电话、电报、传真、数据、图像等各种电信业务的网络。业务网按其功能又可分为用户接入网、交换网和传输网3个部分。用户接入网是电信业务网的组成部分，负责将电信业务透明地传送到用户，即用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。

(2)支撑网。支撑网是使业务网正常运行，增强网络功能，提供全网服务质量以满足用户要求的网络。在各个支撑网中传送相应的控制、监测信号。支撑网包括信令网、同步网和管理网。

①信令网。在采用公共信道信令系统之后，除原有的用户业务之外，还有一个寄生、并存的起支撑作用的专门传送信令的网络一信令网。信令网的功能是实现网络节点间（包括交换局、网络管理中心等)信令的传输和转接。

②同步网。实现数字传输后，在数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间均雷要实现时钟信号的同步。同步网的功能就是实现这些设备之间的时钟信号同步。

③管理网。管理网是为提高全网质量和充分利用网络设备而设置的。网络管理是实时或近实时地监视通信网络（即业务网）的运行，必要时采取控制措施，以达到在任何情况下，最大限度地使用网络中一切可以利用的设备，使尽可能多的通信得以实现。

二、通信网的分类

1.按业务种类分

通信网可分为电话通信网、电报通信网、传其通信网、广播电视通信网、数据通信网，以及多煤体通信网等。

a.电话通信网：传输电话业务的网络。

b.电报通信网：传输电报业务的网络。

c.传真通信网：传输传真业务的网络。

d.广播电视通信网：传输广播电视业务的网络。

e.数据通信网：以传输数据业务为主的通信网称为数据通信网，它是一个由分布在各地的数据终端设备、数据交换设备和数据传输链路所构成的网络，在网络协议（软件）的支持下实现数据终端间的数据传输和交换。

f.多媒体通信网：是传输多媒体业务（集语音、数据、图像于一体）的网络，它是多媒体技术、计算机技术、通信技术和网络技术等相互结合和发展的产物，具有集成性、交互性和同步性等特点。

2.按所传输的信号形式分

通信网可分为数字网和模拟网。

a.数字网：网中传输和交换的是数字信号。

b.模拟网：网中传输和交换的是模拟信号。

3.按服务范围分

不同的业务网又有不同的分类方式，如电话网等通信网可分为本地网、长途网和国际网：而传输数据业务的计算机通信网则可分为局域网、城域网和广域网。

4.按运营方式分

通信网可分为公用通信网和专用通信网。

a.公用通信网：由国家相关部门组建的网络，网络内的传输和转接装置可供任何部门使用。

b.专用通信网：某个部门为本系统的特殊业务工作的需要而建造的网络，这种网络不向本系统以外的人提供服务，即不允许其他部门和单位使用。

5.按所采用的传输介质分

通信网可分为有线通信网和无线通信网。

a.有线通信网：使用双纹线、同轴电缆和光纤等传输信号的通信网。

b.无线通信网：使用无线电波等在空间传输信号的通信网，又可分为移动通信例、卫星通信网等。

三、通信网的结构

1.通信网的拓扑结构

通信网的基本拓扑结构主要有网形、星形、复合型、总线型、树形和线形等。

①网形网

网形网的网内任何两个节点之间均有线路相连。如果有N个节点，网形网则需要N(N1)条传输链路。显然，当节点数增加时，传输链路将迅速增大。这种网络结构的冗余度较大，稳定性较好，但线路利用率不高，经济性较差。

网孔形网，它是网形网的一种变形，也叫不完全网状网。其大部分节点相互之间有线路直接相连，一小部分节点可能与其他节点之间没有线路直接相连，哪些节点之间不需直达线路，要视具体情况而定（一般是这些节点之间业务量相对少一些）。网孔形网与网形网（完全网状网）相比，可适当节省一些线路，即线路利用率有所提高，经济性有所改善，但稳定性会稍有降低。

②星形网

星形网也称为辐射网，它将一个节点作为辐射点，该点与其他节点均有线路相连。

具有N个节点的显形网至少需要N1条传输链路。星形网的辐射点就是转接交换中心，其余N1个节点间的相互通信都要经过转接交换中心的交换设备，因而该交换设备的交换能力和可靠性会影响网内的所有用户。由于星形网比网形网的传输链路少、线路利用率高，所以当交换设备的费用低于相关传输链路的费用时，星形网比网形网的经济性好，但稳定性较差（因为中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点一旦出现故障会造成全网雅痪）。

③复合型网

复合型网由网形网和星形网复合而成。根据网中业务量的需要，以星形网为基础，在业务量较大的转接交换中心区间采用网形结构，可以使整个网络比较经济且稳定性较好。复合型网具有网形网和星形网的优点，是通信网中常采用的一种网络结构，但网络设计应以交换设备和传输链路的总费用最小为原则。

④总线型网

总线型网是所有节点都连接在一个公共传输通道一总线上。这种网络结构需要的传输链路少，增减节点比较方便，但稳定性较差，网络范围也受到限制。

⑤环形网

它的特点是结构简单、实现容易。而且由于可以采用自愈环对网络进行自动保护，所以其稳定性比较高。另外，还有一种叫线形网的网络结构，它与环形网不同的是首尾不相连。线形网常用于同步数字体系(SDH)传输网中。

⑥树形网

它可以看成是星形拓扑结构的扩展。在树形网中，节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行。树形结构主要用于用户接入网或用户线路网中，另外，主从网同步方式中的时钟分配网也采用树形结构。

 

2.通信网的体系结构

2.1 OSI体系结构

通信协议采用分层结构。该结构将通信功能分为若干个层次，每一个层次完成一部分功能，各个层次相互配合共同完成通信的功能。每一层只和直接相邻的层互通，上一层的功能需要建立在下一层的基础上，上一层利用下一层提供的功能，向高一层提供本层所能完成的服务。通信功能上的分层导致了协议的分层，即把复杂的、实际的通信过程，包括路由寻址、比特流传输、比特同步、流量控制、差错控制、信息加密和对话过程管理等转化为各层协议，信息交换的双方必须有相同（或相应）的功能块才能完成给定的功能。

通信网的终端设备、传输设备和交换设备都由很多厂商提供，为了使网络能在多设备厂商供货的情况下实现良好的互通互联，国际标准化组织(ISO)、因特网体系结构委员会(AB)、因特网工程任务组(ETF)和国际电信联盟(TU)的两个咨询委员会(CCITT和CCR)在促进网络协议标准化方面做了许多工作。I977年，ISO提出了开放系统互联(OOSI)参考模型，要求系统的外部特性必须符合OSI的网络体系结构，而其内部功能不受限制。

OSI协议参考模型分为7层，从低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每一层可以用不同的协议向上层提供服务，同时每一层使其下一层与更高层分隔开，并将此作为开发协议的标准框架。采用分层结构的开放系统互连大大降低了系统间信息传递的复杂性。通常把1一3层（物理层、数据链路层、网络层）称为低层或下3层，提供远距离通信的功能，解决数据信息及时正确传送的问题：而把4~7层（传输层、会话层、表示层、应用层)称为高层，它是终端需要执行的功能，为终端用户提供服务，因此，高4层提供的功能只与终端用户相关，与网络功能无关。

2.2 TCP/IP体系结构

TCP/IP(传输控制协议/网际协议)体系结构是指能够在多个不同网络间实现的协议簇。该协议簇是在美国国防高级研究计划局(DARPA)所资助的实验性ARPARnet分组交换网铬、无线电分组网络和卫是分组网络上研究开发成功的。在实际应用中，网络部分瘫痪时仍要求必须保持较强的工作能力和灵活性。这种应用环境导致了一系列协议的出现，从而使不同类型的终端和网络间能够进行有效通信。实际上，Internet已经成为全球计算机互联的主要体系结构，而TCP/IP是Internet的代名词，是将异种网络、不同设备互联起来，进行正常数据通信的格式和大家遵守的约定。其中，TCP和IP是最重要的两个协议。

TCP/IP采用分层体系结构，分别是网铭接口层、网络层、传输层和应用层，可以简化系统的设计和实现，并能提高系统的可靠性和灵活性。

四、通信网的质量要求

1.接通的任意性与快速性

接通的任意性与快速性，是指网络能够实现任意转接和快速接通。影响接通的任意性与快速性的主要因素包括以下几个方面。

①通信网的拓扑结构不合理会增加转接次数，使阻塞率上升、时延增大。

②通信网的网络资源不足会增加阻塞概率。

③通信网的可靠性降低，会造成传输链路或交换设备出现故障，甚至丧失其应有的功能。

2.信号传输的透明性与传输质量的一致性

信号传输的透明性是指在规定的业务范围内对用户信息不加任何限制，都可以在网内传输：传输质量的一致性是指网内任何两个用户通信时，应具有相同或相仿的传输质量，而与用户之间的距离、环境和所处位置无关。传输质量主要包括接续质量和信息质量，其中接续质量表示通信接通的难易和使用的优劣程度，具体指标主要有呼损率、时延、设备故障率等，信息质量是信号经过网络传输后到达接续终端的优劣程度，受到终端、信道失真和噪声的限彻，具体指标主要有数据通信的比特误码率、语音通信的响度当量等，不同的通信业务具有不同的质量标准。通信网的传输质量直接影响通信的效果。因此，要制定传输质量标准并进行合理分配，使网中的各部分均满足传输质量指标的要求。

3.网络的高可靠性与经济合理性

通信网应具有较高的可靠性，因为我们任何时候都不希望网络发生故障或通信中断。因此，通信网中的交换设备、传输设备、组网结构都要采取多种措施确保其高可靠性：对于网络中的关键设备及模块，还制定了相关的可靠性指标，如平均系统中断时间、平均故障间隔时间（两个相邻枚障间隔时间的平均值）等。通信网的组建还要考虑建设费用和日后的维护费用是否经济可行。因此，提高可靠性往往要影响其经济合理性，应根据实际需要在可靠性与经济性之间取得折中和平衡，处理好两者的关系。

以上是对通信网的基本要求。对于不同业务的通信网，上述各项指标的具体内容和含义将有所差别。电话通信网的服务质量表明用户对电话网提供的服务性能达到满意的程度，是各种服务性能的综合体现。电话网的性能要求主要包括接续质量、传输质量和稳定质量。其中，电话通信网的接续质量是指用户通话被接通的速度和难易程度，常用呼损率和接续时延表示：传输质量是用户接收到的语音信号的清楚通真程度，常用响度、清晰度和逼真度来衡量：稳定质量是指当传输、交换等设备发生故障和话务异常时可以维持正常业务的程度。度量电话通信网的可靠性指标，包括失效率（设备或系统工作1时间后，单位时间内发生故障的概率)、可用度、平均故障间隔时间和平均修复时间等。

同时，通信网在组网结构、信令方式、编号计划、计费制度、网络管理模式方面都要适应未来新业务的引入和新技术的发展。传统的通信网是为支持单一业务而设计的，不能适应新业务和新技术的发展，而面向未来的下一代树络应能适应不断发展的通信技术和未知的新业务的应用。