1、电子信息科学技术导论,第7章 现代通信技术,主要内容,光纤通信技术,7.4,通信技术发展阶段,1.第一阶段是语言和文字通信阶段：通信方式简单，内容单一，如古代的烽火台、飞鸽传书和旗语。,2.第二阶段是电通信阶段：电报的发明开创了人类利用电来传递文字信息的新时代；人类步入电信新时代的标志是贝尔发明的电话机。这样，利用电磁波不仅可以传输文字，还可以传输语音，大大加快了通信的发展进程。马可尼发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。,3.第三阶段是1980年以后的现代通信阶段，也称电子信息通信阶段。标志是光纤通信的应用和宽带综合业务数字网的建立。现代通信技术主要包括数字通信技术、程控交换技术、
2、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术，接入网与接入技术。,7.1 蓝牙技术,一个新型数据、语音通信标准告别有线连接,7.1.1 蓝牙技术及其形成背景,蓝牙是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，它用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连，可以在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。,7.1 蓝牙技术,7.1.1 蓝牙技术及其形成背景,1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和Intel公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，这五家厂商还成立了蓝牙特别兴
3、趣小组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别兴趣小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。2006年10月13日，Bluetooth SIG宣布联想公司取代IBM在该组织中的创始成员位置，并立即生效。通过成为创始成员，有助于Bluetooth这一无线技术在中国的发展。,7.1.2 蓝牙的优势,（1）全球可用：蓝牙技术运行在 2.4 GHz 波段，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学（ISM）无线电波段。供我们全球的成员公司免费使用。（2）设备范围广泛：Bluetooth
4、技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等。（3）易于使用：Bluetooth 技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。,7.1.3 蓝牙的组网方式,蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC（Bluetooth Public Access），蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（Piconet）和分布式网络（Scatternet）。,(a)点对点(b)点对多点图7-2 微微网的拓扑网络结构,蓝牙采用自组式组网方式（Ad-hoc），微微网由主设备（Master）单
5、元（发起链接的设备）和从设备（Slave）单元构成，有一个主设备单元和最多7个从设备单元。,微微网的构成,主设备其时钟和调频序列用于同步该微微网中的其他设备其可实施呼叫和连接建立过程从设备 与主设备同步连接建立后，被分配一个临时的3比特成员地址,例如，办公室的PC机可以是一个主设备单元，而无线链盘、无线鼠标和无线打印机可以充当从设备单元的角色。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，接受主设备单元的控制。,微微网构建的蓝牙办公系统,具有重叠覆盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（Scatternet）结构。每个微网只能有一个单独主单元，然而从单
6、元可分享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。蓝牙独特的组网方式赋予了它无线接入的强大生命力，同时可以有7个移动蓝牙用户通过一个网络节点与因特网相连。,图7-3 多个微微网组成的扩散网,扩散网及其特点,7.1.4 蓝牙的工作原理,（1）蓝牙通信的主从关系：蓝牙设备之间进行通讯时，必须一方为主角色，另一方为从角色，才能进行通信。通信时必须由主端进行查找，发起配对，链接成功后，双方即可收发数据。一个具备蓝牙通讯功能的设备，可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时转换为主模式，向其它设备发起呼叫。（2）蓝牙的呼叫过程：蓝牙主端设备发起呼
7、叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫。（3）蓝牙一对一的串口数据传输应用：蓝牙设备在出厂前即提前设置好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，通过串口进行数据传输，无需外围电路干预。（4）蓝牙网络的通信过程,（4）蓝牙网络的通信过程,待机模式：蓝牙设备没有建立链接时，处于睡眠状态(Standby状态)。这种模式下，它将每隔1.28s或2.56s醒过来一次，选择一个信道侦听发
8、送给它的信息。,图7-4 蓝牙网络的通信过程,查询或寻呼：微微网的主单元设备发起链接，主单元并不知道其余设备的地址。这时主单元需要先执行Inquiry 操作。有了其它设备的地址，就可进行Page，真正建立起链接。链接完成后，就可建立通信进行数据传输。,通信阶段：主单元和从单元交替进行收和发。主单元根据从单元的数据流量决定从单元何时收发。如果从单元暂时不需收发数据，它就切换进入保持模式，直到主单元下次发送信息给它。在这期间主单元定期给它发送信息以使从单元对跳频信道同步。（三种低能耗模式）,断链操作：数据传输完成后，可使用断链（Detach）命令来结束链接，这样，单元又回到待机模式。,7.1.5
9、蓝牙的关键技术,（1）跳频技术：蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM频段，在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源。跳频技术就是将整个频带划分成若干跳频信道，在一次链接中，蓝牙芯片控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道，而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信，实际上属于一种硬件加密手段。（2）纠错技术：使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码、2/3比例前向纠错码和用于数据的自动请求重发方式。（3）安全性：除了跳频技术，蓝牙技术在应用层和链路层上也提供安全措施。该措施将用于对等环境，即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都以同样的方法实现。在链路层，蓝牙使用四个参数
10、来保证系统的安全性，每个用户有唯一的48位地址、128位验证密钥、8128位加密密钥以及设备产生的一个128位随机数RAND。通过鉴权、匹配和加密算法完成。,蓝牙技术特点小结,很好的抗干扰能力和安全性,可建立临时对等连接,全球范围适用,同时传输语音数据,近距离通信,功耗低体积小,蓝牙技术特点,蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz。,蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。,主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主
11、设备，其余的均为从设备。,蓝牙采用了跳频（FrequencyHopping）方式来扩展频谱，抵抗来自这些设备的干扰。提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。,蓝牙设备在通信连（Connection）状态下，有四种工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。,蓝牙技术通信距离为10m,可根据需要扩展至100m，以满足不同设备的需要。,7.1.6 蓝牙的应用,电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。,家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物
12、等。,数字照相机、数字摄像机等。,无线键盘、鼠标等。,以便携式计算机和掌上计算机为代表。,各种电话系统,蓝牙技术的应用,应用面多,前景广阔,数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统等。,无线电缆,无线办公包,数字电子设备,电子商务,办公自动化家庭娱乐等,图7-5 由蓝牙构建的智能家居系统,（1）智能家居：其重要功能就是对居住环境的控制，即自动或远程控制家庭的温度、湿度、光照、空气质量和热水器等；家庭中的水、电、燃气和供暖能够实现定时开关；保障安全的家庭体系，其中既包括人身和家庭财产的安全，也包括家庭设备的安全。,图7-6 由蓝牙构建的无线办公系统,（2）办公自动化：过去的办公室因各种电
13、线纠缠不清而非常混乱，从为设备供电的电线到连接计算机至键盘、打印机、鼠标和 PDA 的电缆，无不造成了一个杂乱无序的工作环境。通过 Bluetooth 无线技术，办公室里再也看不到凌乱的电线，整个办公室也像一台机器一样有条不紊地高效运作。,图7-7 蓝牙用于智能交通,（3）智能交通：最早，蓝牙技术主要应用于汽车的电话通信，当移动电话随用户进入车内，车载系统就会自动连接上用户手机。用户在驾车行驶过程中过语音指令就能控制车上的所有开关，形成了人与车的小型互联系统。随着蓝牙研究和应用的快速发展，在智能交通领域出现了各种不同的蓝牙应用。如远程车辆状况诊断、车辆安全系统实时监测、车对车通信及多媒体信息的
14、下载等。,7.2 WiFi技术,7.2.1 WiFi技术及其发展,WiFi是无线保真（Wireless Fidelity）的缩写，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。,图7-8 由无线路由器构建的无线WiFi网络,几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持无线保真上网。其实质就是把有线网络信号通过无线路由器转换成无线保真信号，利用无线电波来联网，供支持其技术的电脑、手机、平板等终端设备接收。,1997年6月，美国电气电子工程师协会(IEEE)制定发布WiFi无线局域网802.11系列标准，IEEE802.11主要用于解
15、决办公室局域网和校园网用户与用户终端的无线连接，其业务主要局限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps。IEEE802.11标准的制定推动了无线网络的发展，但由于传输速率只有12M bps，该标准未得到广泛的发展与应用。1999年，IEEE通过了新的IEEE802.11a和IEEE802.11b标准。2001年1月，IEEE802.11g标准以草案的形式面世，2003年5月成为正式标准。IEEE802.11g标准既能提供与IEEE802.11a相同的传输速率，又能与已有的IEEE802.11b设备后向兼容。,表7-1三种常用WiFi标准性能指标比较,IEEE 802.11无线局域网工作组,PHY
16、,802.11(1/2 Mbps),802.11b(5.5/11 Mbps),802.11g(54 Mbps),802.11a(54 Mbps),MAC,802.11/11a/11b/11g MAC,802.11e QoS,802.11i 安全增强,802.11n(300 Mbps),802.11f 漫游和切换,802.11h 动态调整,802.11s mesh,7.2.2 WiFi技术网络结构,无线局域网由端站（STA）、接入点（AP）、接入控制器（AC）、AAA（Authentication、Authorization and Accounting，即认证、授权和计费）服务器以及网元管理单
17、元组成。,图7-9 无线局域网网络参考模型,端站：无线网络的终端，可以通过不同接口接入计算机终端，也可以是非计算机终端上的嵌入式设备；,接入点：通过无线链路和STA进行通信，通过WB接口采用有线方式与AC连接；,接入控制器：无线局域网和外部网之间充当网管功能,AAA服务器：具备认证、授权和计费功能；,Portal服务器：负责完成公共接入无线局域网(PWLAN)用户门户网站的推送，为必选网络单元。,无线局域网结构（无中心对等网Ad Hoc）,由无线工作站组成，用于一台无线工作站和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，该网络无法接入到有线网络中，只能独立使用。无需AP，安全由各个客户端自行维护。采
18、用这种拓扑结构的网络，各站点竞争公用信道，但站点数过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害，因此，这种拓扑结构比较适合小规模、小范围的WLAN系统组网。点对点模式中的一个节点必需能同时“看”到网络中的其他节点，否则就认为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4至8个用户。,无线局域网结构（单接入点BSS）,由无线访问点(AP)、无线工作站(STA)以及分布式系统(DSS)构成，覆盖的区域称做基本服务区(BSS)。无线访问点也称无线hub，用于在无线STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据，所有的无线通讯都经过AP完成。无线访问点通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。AP可
19、以连接到有线网络，实现无线网络和有线网络的互联。,无线局域网结构（多接入点ESS）,由多个AP以及连接它们的分布式系统(DS)组成的基础架构模式网络，也称为扩展服务区(ESS)。扩展服务区内的每个AP都是一个独立的无线网络基本服务区(BSS)，所有AP共享同一个扩展服务区标示符(ESSID)。分布式系统(DS)在802.11标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。相同ESSID的无线网络间可以进行漫游，不同ESSID的无线网络形成逻辑子网。,7.2.3 WiFi技术应用及前景,三种WiFi的应用模式：(1)企业或者家庭内部接入模式：在企业内部或者家庭架设AP，通过这个AP实现内部通信，或者作
20、为宽带接入出口连接到互联网，这是最普遍的应用方式。(2)电信运营商提供的无线宽带接入服务，通过运营商，在很多宾馆、机场等公众服务场所纷纷架设AP，为公众用户提供WiFi接入服务。(3)“无线城市”的综合服务，基本是由市政府全部或部分投资建设，是一种类似于城市基础建设的一种模式。,（1）热点覆盖,Wi-Fi组网的应用,（2）WiFi语音和移动数据业务,（3）办公地点无线互联,（4）无线mesh网络,WiFi技术应用前景：（1）掌上移动终端的应用：如智能手机、苹果系列的ipad及itouch等。（2）数字家庭：家用个人电脑、游戏机或蓝光DVD播放器，海量数据硬盘，数码相机、打印机或高清电视等。（3
21、）其他方面的应用：医疗卫生、商用航空、金融、交通、物联网等领域。互联网改变了人们的生活，而WiFi改变了人们访问互联网的方式，使人们摆脱了电线的束缚，能够更加自由方便的访问互联网，使互联网更深刻的融入到我们的日常生活中。WIFI可以在特定的区域和范围内发挥对3G的重要补充作用，WIFI技术与3G技术相结合将具有广阔的发展前景。,图7-10 各种WiFi终端设备及其连接,图7-11 WiFi数字家庭,凡是自由空间均可连接网络，不受限于线缆和端口位置。,办公大楼,候机大厅,渡假山庄,商务酒店,（1）无线让网络使用更自由,（2）无线让网络建设更经济，通信更便利,终端与交换设备之间省去布线，有效降低布
22、线成本。适用于特殊地理环境下的网络架设，如隧道、港口码头、高速公路。,终端与设备之间不方便通过线缆连接,地理环境不适合布设有线网络,（3）无线让工作更高效,不受限于时间和地点的无线网络，满足各行各业对于网络应用的需求。,体育场馆新闻中心,展馆与证券大厅,制造车间,物流运输,7.3 移动通信及其关键技术,7.3.1 移动通信发展史,只能提供基本的语音会话业务，不能提供非语音业务，并且保密性差，容易并机盗打，它们之间互不兼容，导致移动用户无法在各种系统之间实现漫游。出现时间1980s系统类型FDMA（频分多址），模拟话音通信系统代表性系统美国AMPS(Advanced Mobile Phone S
23、ystem，也称为IS-54)：由美国电报电话公司（AT&T）开发的最早的蜂窝电话系统标准。诞生於1960年代。Motorola公司在 1973年开发出第一部移动电话原型机,经过十年 的改进,1983年才正式商业化推出,。在台湾,这就是早期090的行动电话(俗称黑金刚).其主要设计是为了传递语音。英国TACS(Total Access Communication System)1985年开始商用；我国邮电部于1987年确定以TACS制式作为我国模拟制式蜂窝移动电话的标准。,(Interim Standard，临时标准),1.第一代蜂窝移动通信系统（1G，1st Generation）,第一部手
24、机诞生于1973年4月3日，纽约曼哈顿的摩托罗拉实验室。,马丁.库帕发明手机的灵感来自于电视剧星际迷航剧中的考克船长使用了一部无线电话。马丁库帕今年（2010年）已经77岁了,他在摩托罗拉工作了29年后,在硅谷创办了自己的通讯技术研究公司。,1G的特点：,终端：大哥大价格昂贵块头大电路板：模拟器件话音质量保密性差：因为是模拟话音通信FDMA（Frequency Division Multiple Access）频分多址：给每个用户分配一个宽为30kHz的频点，用户就在分给的频点上进行话音的传输。我国采用的主要是TACS制式，频段为890915MHz与935960MHz。,每个频道宽度为30KH
25、z,为解决由于采用不同模拟蜂窝系统造成互不兼容无法漫游服务的问题，1991年欧洲开通了第一个GSM数字窄带蜂窝系统。移动运营商将GSM更名为“全球移动通信系统”。该系统提高了频谱利用率（约为模拟网的1.82倍），支持多种业务服务，并与ISDN等兼容。我国2G网络主要以GSM和CDMA为主。出现时间1980s末系统类型TDMA(时分多址)或窄带CDMA（码分多址），传递话音和低速数据的窄带数字通信系统代表性系统欧洲的GSM(Global System for Mobile communication)：1988年完成技术标准制定的，1990年开始投入商用，1992年11月10日，全球首款量产的G
26、SM手机问世。采用TDMA。北美的D-AMPS(Digital AMPS，也称为IS-136)：1993年投入使用。采用TDMA。北美的CDMA（IS-95，Interim Standard 95）：1993年7月公布了IS-95空中接口标准，目前也是我国重要的2G标准之一（原联通CDMA即使用该标准）。日本的PDC（Personal Digital Communication system）:是日本电波产业协会于1990年确定的技术标准，1993年3月正式投入使用。采用TDMA。,2.第二代蜂窝移动通信系统（2G，2st Generation）,1992年11月10日，全球首款量产的GSM手
27、机。GSM的手机与“大砖头”模拟手机的区别是多了用户识别卡（SIM卡）。,可以存储99个电话支持90分钟通话12小时待机使用镍镉充电电池手机重达475克,苹果 iPhone 3GS(16GB),2G的特点：,终端：价格便宜小巧电路板：大规模集成电路话音质量保密性好FDMA+TDMA（Frequency Division Multiple Access+Time Division Multiple Access）：频分加时分。先分配一个个宽为200kHz的频点，用户就在分给的频点上进行轮流话音的传输（八个一轮）。,每个频道宽度为200KHz，供8对用户用来时分通信分到每个用户的头上，单个用户所占
28、的带宽：200k/8=25kHz,FDMA+TDMA,GSM系统使用的频段一：,890,915,935,960,上行或反向,下行或前向,一、欧洲GSM800/900M占用的频段：共992对信道,1、中国移动GSM占用的频段：890-908（上行）935-953（下行）中国联通GSM占用的频段：909-915（上行）954-960（下行）,二、欧洲DCS1800占用的频段：,GSM系统使用的频段二：,2、中国DCS1800:中国移动：17101720（上行）18051815（下行）原中国联通：17451755（上行）18401850（下行）,原中国联通的CDMA系统:占用800M频段在我国，目前
29、联通占用10M带宽，共7个载频1.23MHz为一个载频,MS发，BS接收频段,BS发，MS接收频段,原联通CDMA使用的频段,为适应数据业务的发展需要，GSM系统中增加了GPRS技术，大大提高了数据传送能力。出现时间1996系统类型TDMA、CDMA（码分多址），中速数据传递的数字通信系统代表性系统GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务,速率144kbit/s)GSM向WCDMA的演进策略GSM HSCSD（高速电路交换数据速率,14.464kbit/s)GPRS EDGE WCDMAIS-95B（速率115.2kbit/s）IS-95向cdma2
30、000的演进策略从IS-95A（速率9.6/14.4kbit/s）IS-95B(速率115.2kbit/s)cdma2000IS-95B与IS-95A的区别主要在于可以捆绑多个信道,第2.5代蜂窝移动通信系统（2.5G，2.5st Generation）,3.第三代移动通信系统（3G）,即IMT-2000系统(International Mobile Telecommunication-2000)，意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kbps。3G移动通信技术是一种真正意义上的宽带移动多媒体通信系统，它能提供高质量的宽带多媒体综合业务，并且实现了全球无缝覆盖、全球漫游，
31、数据传输速率高达2Mbit/s，其容量是2G技术的25倍。,图7-12 3G的渐进演变过程,第三代蜂窝移动通信系统（3G，3rd Generation）出现时间2000s系统类型FDMA、TDMA和宽带CDMA，传递多媒体业务的宽带数字通信系统代表性系统欧洲的WCDMA（Wideband CDMA，宽带码分多址）北美的cdma2000中国的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA，时分-同步码分多址）,频谱利用率不高系统容量小系统成本高,目前，WCDMA网在中国的频段分配,一个载波频道,1940MHz,1955MHz,2130MHz,2145MHz,WCD
32、MA网络，每个频道宽5MHz Cdma2000 3x，3载波带宽共计3.75MHz(1.25*3MHz),目前，TD-SCDMA网在中国的在用频段,一个载波频道,2010MHz,2025MHz,TD-SCDMA，每个频道宽1.6MHz，承载双向的通信,频谱利用率高,表7-2 WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000技术比较,MC-CDMA(CDMA2000)：由美国高通公司提出，是由IS-95系统演进而来的，并向下兼容IS-95系统。在核心网络方面，它继续使用IS-95系统的核心网来处理电路型业务，如语音业务和电路型数据业务，同时在系统中增加分组设备来处理分组数据业务。,DS-CDMA(
33、WCDMA)：由日本和欧洲提出，其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商。从事DS-CDMA标准研究和设备开发的厂商很多，给未来移动通信系统互联互通造成较多问题。因而对WCDMA的推广产生了一定影响。,TD-SCDMA：是由我国在Smart CDMA技术上提出的一种TDD技术方案，希望能够用于支持从微微蜂窝到宏蜂窝的各种应用环境。使用了智能天线技术和联合检测技术等先进技术。,3G的特点：,采用FDMA+TDMA+CDMA(Code Division Multiple Access)码分多址的方案。最大特点是能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务。与从前以模拟技术为代表的第一代和以GPRS为特征的第二代数字移动通信技术相比，3G有更宽的带宽，其传输速度可达2M，带宽可达5MHz以上。不仅能传输话音、数据，还能提供快捷、方便的无线应用，如无线接入Internet。3G移动通信网络能将高速移动接入
