通信网络底层知识梳理

一、相关概念

无源器件：指工作时不需要外部能量源的器件，电容电阻等

有源器件：指工作时需要外部能量源的器件，该器件有个输出，并且是输入信号的一个函数,LED、比较器等

高频通信的好处：

1 无线通信中，为获得较高辐射效率，天线尺寸必须与波长差不多，因此只有高频(短波长)信号能满足要求。

2 可把多个基带信号搬移到不同的频段的载波信号上，实现信道复用，提高信道利用率。

3 频率越高，衰落越大，因此对基站的发射机有更高要求，同时其频段内用户数量少，抗干扰能力自然更好。

模拟通信系统两种基本变换：

1 发送端消息转换为电信号，接收端作逆变换

2 基带信号变换为适合在信道中传输的信号，即调制和解调

基带信号：频谱从零频附近开始的原始信号，如语音信号频谱300~3400Hz，图像信号频谱0~6MHz

带通信号：基带信号经调制后都具有带通特性，故称带通信号

带宽与宽带：

带宽定义一：两频率间的差值，即某个特定频率成分占据的频率范围。

带宽定义二：单位时间内，通信网络中某一点到另一点所能传输的数据量。数字通信(二进制)带宽的计算公式是 时钟频率*总线位数/8

比特率和波特率：

波特率: 每秒传输码元个数(批注：每个码元可以取2、4、8...个可能值)

比特率: 每秒传输的二进制位数.单位bps

两者关系: (比特率)S = (波特率)B Log2 N (码元可能值的个数)

讨论带宽时,一般采用波特率,讨论线路实际传输数据的能力时,一般采用比特率.

宽带是相对窄带而言的,一般带宽较大,能满足一般需求的通信网络称为宽带.

PCM: pulse code modulation,脉冲编码调制。对音频、图像、视频信号的离散化、数字化的一种编码方式，由取样、量化和编码三个基本环节构成

并行通信和串行通信：从原理上讲，并行通信拥有更多数据线，理应拥有更高的信息传输能力。但现实并非如此，因为并行传输的前提是各路信号同一时序传播且同一时序接收，时钟频率过高时各路信号难以合拍，布线稍有差异就会引起错误。另外，并行线路占用了更多空间，消耗更多成本。因此近几年串行通信技术回归主流，典型代表无疑就是USB

同步通信和异步通信：同步通信要求发收双方具有同频的时钟信号，只要传送报文前添加同步字符即可;异步通信无需同步时钟，两字符间的时间间隔是不固定的，所以比较自由，但要求接收方时刻做好接收准备，异步通信的优点正在于此，缺点是每个字符帧都包含起始位和停止位，有效信息位占比降低。

信道中的干扰分为有源干扰和无源干扰：有源干扰即来自外界的因素产生的干扰，一般指噪声;无源干扰即与外界因素无关的干扰，即信道本身传输特性不良。

无线通信中，根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波分为地波、天波和视线传播三种：

地波：频率较低，2MHz以下，沿地球表面传播，有一定绕射能力，传播范围数百千米到数千千米

天波：(2~30MHz)依赖电离层(距离地面60~400千米)反射传播，通过这种方式覆盖到地面上可能不是连续区域。经多次反射后传播距离可达10000千米以上。

视线：30MHz以上，即像光波那样沿直线传播，为了扩大传输距离，最简单的办法就是提升天线高度，有公式天线高度h=pow(d,2)/50，d为传输距离，由于视距传输距离有限通常可以采用无线电中继的方法，即多次转发实现远程通信。理论上有一个较好的方法全球覆盖，即用三个相对静止卫星做中继站，这样增加了一次转发可达距离，但是提升了对发射功率的要求，也增加了传输延时，另外发射卫星也是个巨大的工程。今年来一个类似的想法是平流层(17~22km)通信，即把基站用冲氮飞艇悬在半空，这样只要250个飞艇就能覆盖全球90以上人口和地区，性价比极高。

有线信道主要分为明线(裸线，传输损耗低，但易受环境影响)，双绞线(对称电缆)和同轴电缆。

信道特性的描述可以用幅频特性或者相频特性，无失真的传输要求幅频特性曲线是一条直线，即振幅与频率无关，相频曲线为一条过原点的直线，即传输时延与频率无关。幅频特性不理想则称有频率失真、相位特性不理想则称为有相位失真，两种失真都是线性的，故可以通过线性补偿解决。

热噪声，一种自然噪声，导线、电阻、半导体内部电子热运动产生的噪声，不可避免，也称白噪声，由于其噪声是自由电子运动产生，具有正态分布特性，故又称高斯白噪声。

vsb残留便带调制是介于dsb双边带调制和ssb单边带调制之间的一种调制方式，它既克服了dsb信号占用频带宽的缺点，又解决了ssb信号实现中的困难。

DSB一般用于点对点通信，其他应用较少。

SSB一般用于频分多路复用系统，带宽利用和功率利用都较好。

VSB抗噪声性能与频带利用率与SSB相当，一般用于电视广播系统。

AM是最简单的调制方式，但抗干扰能力差，功率利用率低，一般用于中短波调幅广播。

FM抗干扰能力强，在长距离高质量通信中常用，如卫星通信、调频广播电台等。

数字调制与模拟调制基本原理相同，但数字信号具有取值离散的特点，一般有两种数字调制技术方法，一是用模拟调制的方法调制数字信号，将数字信号视为待调制信号的一个特例;而是使用键控法(2ASK,2FSK,2PSK)。

模拟信号的数字化：抽样、量化、编码。其中量化分为均匀量化和非均匀量化，对小信号而言，信噪比较小，均匀量化并不科学，例如话音信号，因此有了A律和u律等非均匀量化法。我国采用的是A律13折线。美国日本使用的是u律。

以A律13折线为例简要介绍编码方法，13折线法8位，c1位表示正负，c2~c4位表示8个非均匀划分的段落，c5~c8表示16个均匀量化的电平。

按照加性干扰引起的错吗分布规律不同，信道分为三类：随机信道、突发信道、混合信道

随机信道：错码随机出现，相互统计独立

突发信道：错码集中出现，在一些短暂的时间片上集中，之后又存在较长的无错码段

混合信道：上面二者共存的信道

四种主要差错控制技术：

1 检错重发：在发送时附加监督码元，接收端利用这些码元检测到有错时，通知发送端重发，它的局限是不能判断错码位置以及如何纠正，如奇偶校验。

2 前向纠错(FEC：forward error correction)：能纠正错码，优点是不需重发，没有因反复重发引发的时延。

3 检错删除：即以码元为单位，发现错误码元即删除，这种方式使用于少数特定系统，那些即使删除部分码元不影响接受的系统。

4 反馈校验：无需差错码元或监督码元，接收端接到码元后回发给发送端，在发送端进行比较，如一致则认为无错，否则重发。这种技术优点是简单易理解，缺点是需要双向信道且传输时间翻倍，且有可能发送过来时无错回发时出错也被判错，降低了传输效率。

在评价信道的检错能力时有一个矛盾点，即检错能力与冗余度(监督码元数目与总码元数目之比)的矛盾，一般来讲，检错能力越强，需要越多的监督码元，冗余度也越高，作选择时应根据具体情况取舍。

四个同步：

1 载波同步：即在接收端产生一个和接收信号的载波同频同相的本地震荡，供解调器使用。

2 码元同步：即在接收端产生一个与接收码元严格同步的时钟脉冲序列，确定接收码元的起止时刻，以便判决。

3 群同步：即帧同步，即在发送端插入辅助同步信息，确定帧接收的起止时刻。

4 网同步：在多个通信对象组成的数字通信网中，为了使各站点保持同步，还需解决网同步的问题。例如时分复用通信网中，为了正确地将来自不同地点的两路时分多路信号复接时，就需使各路信号同步后开始合并。

有线通信和无线通信：

1 理论上讲，无线通信速率要优于有线通信，无线通信介质是空气或真空，传输速率接近光速，有线通信是不可能达到的，一来介质的限定，而来不可能实现直线传播。假若实现月亮和地球的点对点通信，无线通信必须建立中继站，否则月球背对我们的时候是无法通信的

2 有线通信开通必须架设电缆，面临挖沟和架线的问题，时间成本和材料、人力成本较高，另外，除电信部门外，其他部门没有在城区内挖沟铺设电缆的权力，相比之下，搭建无线通信系统成本更低

另外时间成本优势在应急、抗灾时的无可替代性将被凸显

3 有线通信系统的通信质量会随着线路扩展急剧下滑，超过5公里后误码率提升，传输速率下降，而对于无线扩频通信(扩展带宽)方式，50公里内几乎没有影响

4 有线通信铺线受地理限制，不能任意铺设，无线通信覆盖范围广，几乎不受地理条件限制

5 在后续改善通信方面，无线通信仅需架设扩频设备，而有线通信光缆深埋地底下，灵活性极低

6 当出现故障时，有线网络需沿线检查，难以及时找出故障点，而无线扩频通信很容易试出故障点，维护扩频电台即可，可快速恢复通信。

7 安全方面，无线电路可能被搭线监听，而无线扩频通信本身就起源于军事上的防监听，广袤的频带大大提升了监听的难度。

综上，无线通信在时间、财力、人力上的低成本，安全性、灵活性、可维护性等方面具有很大优势。有线通信目前的优势在于媒介的限定提升了稳定性、减少了对人体辐射。无线通信信号较差原因在于母机与子机之间可能存在障碍物，而高频无线信号的衍射能力是比较弱的;此外也有可能是(来自家电)同频段信号的干扰

IPV4:32位，约40亿个地址，这个分配是非常不均的，北美独占30亿个，中国才3千万，仅相当于一个麻省理工学院，擦

IPV6:128位，多的不好形容了，一般用8*4个十六进制数表示

0000：3333：6666：9999：CCCC：FFFF：0000：0000

通信网：指多点之间传递信息的通信系统。(批注：仅两点间传递信息的通信系统称为专线)

通信网的基本组成：终端设备、通信链路、交换设备，有些还有转发设备。

通信链路：占用给定空域和频域的通信渠道。其占用的空域可以是大气层、水下或者人造电磁传到煤质，前者为无线通信，后者为有线通信。

时分复用：TDM time-division multiplexing 一条链路在不同时间段内可以被不同用户使用

频分复用：FDM frequency-division multiplexing 给定频带划分给不同用户使用，要求总频带大于各个子频带之和，同时为保证安全性，各个子频带之间会有一段隔离带

信令：网络中传输的信号一般包括两部分，一是使用信息(语音、数据包等)，二是控制信息(还有计费、监控信息等)，即信令。

终端设备：发送和接收信号的设备。包括电话机、传真机、电台、计算机

交换设备：依照信令将通信链路传来的信号转接到另一条链路

路由器：网络通信的交通警察，负责信息的分流，与交换机的区别在于，交换机处于osi模型的第二层数据链路层，而路由器处于第三层网络层。两者工作时使用不同的控制信息。

综合业务数字网：Integrated Services Digital Network , ISDN

20世纪80年代诞生，主要是将电话、电报等低速率业务，综合在一个通信网中传输。

随着视频、多媒体信号传输需求的逼近，传统的低速率(2Mb/s以下)传输已经不能符合需求了，随之诞生了宽带综合业务数字网 Broadband ISDN ,故将前者又称为窄带综合业务数字网 Narrowband ISDN

随后，随着通信技术向个人通信方向发展，蜂窝网应运而生

通信网拓扑结构：

1 网形：要求任意两节点间都有一条链路直接相连，故假设N个节点的话，会有N(N-1)/2条链路，当节点增加时，链路条数急剧上涨，且链路利用率低，经济性差，它可以不需要转发设备，但是若各节点有转发功能，则系统可靠性极高

2 星形：除中心节点外，其他节点间的通信都需要中心节点转接。从可靠性上考虑，极度依赖中心节点，中心瘫痪，全局皆崩

3 环形：每个节点都有转发功能，任意两点间有两条可达路线，这一点好于于星形，但多次转发可能带来较长延时，可靠性也可能降低

4 总线形：利用一条总线连接所有节点，总线一个时间段只为两个节点通信服务，节点数目较多时会有较大延时，故它跟环形一样不适合节点过多的网络

几项典型的通信网：

1 电话网：以公共交换电话网(PSTN Public Switch Telephone Network)为例

本地网：一般各电话机通过用户线接到端局，一个端局内部一般是星形网，端局与汇接局通过(中继线)大容量电缆连接

国内长途网：分为四级树状结构

国际长途网：每个国家至少设定一个，连入国际网

我国目前的公用电话网中电话机到端局的用户线是模拟线路，端局中继线是数字线路

电话机信令分为两类：拨号脉冲和双音多频

拨号脉冲：每个脉冲占100ms，脉冲个数表示数字(0用十个脉冲表示)，平均拨号时长是0.55秒

双音多频：16组频率组合使用，两位表示一个数字，共可表示16种，已经投入使用12种，除十个数字外还有*和#

电话网性能指标有两个：话务量和呼损率

话务量：单位时间内 每次平均呼叫时间*呼叫次数

成功话务量：单位时间内 每次平均呼叫时间*呼叫成功的次数

呼损率：

1 - 成功话务量/话务量

2 数据通信网：传输内容包括信件、语音、图片、视频、计算机软件、数据、控制指令等，事实上当前数据通信网已经部分取代电话网，但尚未完全取代

依据覆盖范围，可划分为局域网和广域网

通信协议：即数据通信网中的信令

通信网中交换方式分为两大类：电路交换和信息交换

电路交换要求通话时间内有一条通信电路始终处于连接状态，这会造成时间上的浪费，信息交换是按照存储-转发方式工作的，即发送端发来的信息先保存起来再按信令转发，直到达到目的地，这节省了时间片，但也随之带来了延时的问题，一个缓冲延时问题的方法是分组交换，即将整个报文分成若干组，分别编号传输，这样多路并行虽不能保证每组信息都准时到达，却能保证一定的实时性，另外，若分组数据都经过同一路由并用同一方式处理，可以认为这是一条虚拟信道。

通信协议：拨号脉冲长度、双音多频的频率、拨号音和忙音等的频率和持续、间隔时间等一系列终端和交换设备必须遵守的规定。

OSI七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

TCP/IP四层：网络接口层(HDLC)、网络层(选择适当路由和交换节点，使数据透明地传输到目的地IP,IPX)、传输层(TCP/UDP)、应用层(HTTP、SMTP、FTP)

以太网：局域网的典型代表。星形结构，中心是集线器

集线器分两大类：转发网络集线器(将某一台设备上发送的信号转发给所有其他连接的设备，目标设备选择接收，非目标设备选择放弃)和开关网络集线器(只向目标网络集线器发送信号)

光纤电缆分两种：单模光缆(直径短，带宽高，但连接困难，一般用于远距离传输)和多模光缆(一般用于局域网)

以太网中，数据是以帧为单位进行交换的，这里必须提到的一个技术是CSMA/CD带碰撞检测的载波侦听多址访问，即任何设备在发送数据前先确认网络是否忙碌，只有空闲状态下才发送信息，但是这里有个问题，如果两台机器同时判定空闲，同时发送信息就会引发冲突从而导致数据包毁坏，解决办法是确认空闲后等待一个随机决定的时间重新发送，这样随机数小的网络设备先发送，这个随机决定的时间叫做补偿时间。根据网络的拥挤程度，可以调整最大补偿时间值，当较为拥挤时扩大它的值，相反则可以减小之。

以太网中的帧，即数据包包含两部分，报头和报文，类似于信封和信件内容，信封理所当然包含接收端和发送端的地址，以及监督码，报文则是有效信息内容。最开始是64位的前同步码(56位1010101010.。。)和帧首界定符(8位10101011)，随后接收端mac址(48位，全部为1时表示广播址，即对所有相连设备发送)和发送端mac址(48位)，类型字段(16位，上层协议)，数据(最大12000位)和错误检验校正码(32位)。

蜂窝网：移动通信网典型代表，1981年瑞典爱立信在北欧建立第一个蜂窝网。蜂窝网中每个小区域用一个六边形包含，这样的优点是可以无缝覆盖整个区域同时单位区域也接近圆形，在微波频段附近，电磁波仅在视距范围内传播，距离较远时使用同一频段相互之间没有影响，为保证安全性，相邻两个单元不使用同一频段，即便这样，也可以极大的复用频段，当用户激增时，可以减小服务半径(降低基站天线高度和发射功率)进一步复用频段。

蜂窝网的缺陷是要求每个单元的中心建一个电台，即基站，理论上讲可以无缝的覆盖全球，但沙漠、海洋、山区是不大可能建立蜂窝网的，因此未来的希望可能是卫星移动通信网，典型代表是“铱”系统，它实现了全球覆盖，但如要提升性能则需要更高的技术，添加卫星、降低高度、提升速率等。

二、通信发展史(三代)及其主要特征

第一代：模拟通信，主要特征为频分多址技术

英文名称：frequency-division multiple access;

FDMA 定义：利用不同的频率分割成不同信道的多址技术

这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号;任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用4个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新给别的用户使用。

第二代：数字通信，主要特征为时分多址技术和码分多址技术

time division multiple access 简称tdma

原理就是时分复用，把信息按帧传输，每一帧分多个时隙(比如32个)，每个时隙为一个特定用户传输信号。

随着通信网发展，时分复用设备的各路输入信号不再是单路模拟信号，在通信网中又多次多重复用，低层次复用信号经过整合再次复用构成高层复用信号，这个过程称为复接。

code division multiple access 即cdma

它不同于时分复用技术和频分复用技术，而是利用不同的如波形类特征来区分子信道，引用以前看到的网友的一个比方，一群人在一个大房子里，如果他们用一样的语言(波形)一起说话，我们就很难区分哪些信息是要接受的，但是如果他们使用不同的语言说话，我们就能够过滤掉那些不感兴趣的信息，这便是cdma的基础，因此不需要分频段或是时隙就可以同时传输多路信号，提升了信道利用率，进一步提升了传输速率。

数字通信相对于模拟通信有很多好处，主要是抗干扰能力强、传输差错可控、安全性高等，但数字通信有一个缺点就是一般需要较大的传输带宽，以电话为例，一路模拟通话只占用4kHz带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话要占据20~60kHz带宽。

第三代：多媒体通信，相较于第二代主要是带宽的改进使得其具备传输图像、多媒体等数据的能力。

同样使用了tdma和cdma技术，通信能力进一步提升。

现在我们正在历经第四代通信技术的改革，其实纵观通信发展史，都是不断提升的用户需求拉动的变革，那话怎么说来着，没什么是革命性的，全是进化。通信、计算机或者说整个IT行，就是这样。我们网页开的慢啊，网银安全问题啊，游戏延时啊等等都是拉动技术变革的动力。

三、通信业划时代事件

1 莫尔斯电报：1844年5月24日，莫尔斯向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹!”，此举开创了人类用电信号传输信息的历史。(说到这里，还有一个故事必须提到，1912年“泰坦尼克”号撞到冰山后，发出电报“SOS，速来，我们撞上了冰山。”几英里之外的“加利福尼亚”号客轮本应能够救起数百条生命，但是这条船上的报务员不值班，因此没有收到这条信息。从此以后，所有的轮船都开始了全天候的无线电信号监听。)

2 电话：1892年纽约芝加哥的电话线路开通。电话发明人贝尔第一个试音：“喂，芝加哥”，这一历史性声音被记录下来。