- 通信网技术是规划、设计、建设和维护网络方面的技术。
为了通信网建设好维护好，必须了解各种类型的通信网的结构、接口、协议和技术指标，了解各类通信网之间的关系和互连
1.1 通信网的概念
1.1.1 通信系统基本组成
双向通信还需要另一个通信系统完成相反方向的信息传送工作
实现多用户间的通信，需要将多个通信系统有机地组成一个整体，使它们能协同工作，即形成通信网
1.1.2 通信网的概念及构成要素
通信网的概念
- 定义：通信网是由一定数量的节点（包括终端节点、交换节点）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系
功能：适应用户呼叫的需要，以用户满意的效果传输网内任意两个或多个用户的信息
在通信网上，信息的交换可以在两个用户间进行，在两个计算机进程间进行，在一个用户和一个设备间进行
- 交换的信息包括用户信息(如话音、数据、图像等)、控制信息(如信令信息、路由信息等)和网络管理信息三类
由于信息在网上通常以电或光信号的形式进行传输，因而现代通信网又称电信网
通信网的构成要素
- 实际的通信网是由软件和硬件按特定方式构成的一个通信系统，每一次通信都需要软硬件设施的协调配合来完成
- 硬件构成：通信网由终端设备、交换设备和传输系统构成，
- 主要完成通信网的基本功能：接入、交换和传输
软件设施包括信令、协议、控制、管理、计费等，
- 主要完成通信网的控制、管理、运营和维护，实现通信网的智能化
构成通信网的硬件设备
- 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、信宿与变换器、反变换器的一部分
- 主要功能
- 将待传送的信息和传输链路上传送的信息进行相互转换
- 将信号与传输链路相匹配，由信号处理设备完成
- 信令的产生和识别，用来产生和识别网内所需的信令，以完成一系列控制作用
- 传输系统
- 传输系统（传输链路）是信息的传输通道，是连接网络节点的媒介。
- 一般包括信道与变换器、反变换器的一部分
- 狭义信道：是单纯的传输媒介（比如光缆等）
- 广义信道：除了传输媒介以外，还包括相应的变换设备
- 传输链路指的是广义信道
- 硬件组成
- 线路接口设备
- 传输设备
- 交叉连接设备
- 设计目标
- 提高物理线路的使用效率
- 多路复用技术，如频分复用、时分复用、波分复用
- 传输系统必须与交换节点协调一致
- 保持帧同步和位同步
- 遵守相同的传输体制(如PDH、SDH等）
- 以保证交换节点能正确接收和识别传输系统的数据流
- 交换设备
- 交换设备是构成通信网的核心要素
- 主要功能
- 负责集中、转发终端节点产生的用户信息;
- 转发其他交换节点需要转接的信息;
- 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
- 常见设备
- 电话交换机
- 分组交换机
- 路由器
- 转发器
- 功能结构图
1.1.3 通信网的分层结构
- 背景
- 通信技术发展、用户需求日益多样化
- 现代通信网处于变革与发展之中
- 网络类型及所提供的业务种类不断增加和更新
- 形成了复杂的通信网络体系
- 引入网络的分层结构
- 更清晰地描述现代通信网络结构
- 网络的分层使网络规范与具体实施方法无关
- 简化了网络的规划和设计
- 使各层的功能相对独立
- 网络的分层结构
- 网络结构的垂直描述
- 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/服务者关系
- 把OSI七层模型进行简化，从垂直结构上，从功能上将通信网分为应用层、业务网和传送网
- 网络结构的垂直描述
- 应用层- 表示各种信息应用与服务种类- 业务层- 表示支持各种信息服务的业务提供手段与装备，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、图像等各种通信业务的网络- 传送网- 表示支持业务网的传送手段和基础设施，包括骨干传送网和接入网- 支撑网- 用以支持全部三个层面的工作，提供保证通信网有效正常运行的各种控制和管理能力，传统的通信支撑网包括信令网、同步网和电信管理网
- 网络结构的水平描述
- 水平描述是基于用户接入网络实际的物理连接来划分的，可分为：
- 用户驻地网（CPN：Customer premises Network）- 指用户终端到用户网络接口（UNI）之间所包含的机线设备，是属于用户自己的网络- 接入网（AN：Access Network）- 包含了交换网和传输网的功能，或者说包含了长途网和中继网的功能，在实际网络中一般分为省际干线（即一级干线）、省内干线（即二级干线）和局间中继网（即本地网或城域网）- 核心网（CN：Core Network）- 位于CN和CPN之间，包含了连接两者的所有设施设备与线路。AN已经从功能和概念上替代了传统的用户环路结构，成为通信网的重要组成部分，被称为通信网的“最后一公里”- UNI：用户网络接口- SNI：业务节点接口- 局域网（LAN：Local Area Network）- 城域网（MAN：Metropolitan Area Network）- 广域网（WAN：Wide Area Network）
1.1.4 通信网的业务及网络分类
- 通信网的业务
- 现代通信网建设与运行的真正目的是要为用户提供他们所需的各类通信业务，满足他们对不同业务服务质量的需求。因此通信业务是最直接面向用户的。
- 业务的分类并无统一的方式
- 好的业务分类有助于运营商进行网络规划和运营管理
- 根据信息类型
- 语音业务
- 固定电话业务、移动电话业务、VOIP、会议电话业务和电话语音信息服务业务等。该类业务不需要复杂的终端设备，所需带宽64kb/s，采用电路或分组方式承载。
- 数据业务
- 电子邮件、数据检索、web浏览、文件传输、局域网互连、面向事务的数据处理业务等，所需带宽差别较大，一般需要大于64kbps的带宽，采用电路和分组方式承载
- 图像业务
- 传真、CAD/CAM图像传送等。该类业务所需带宽差别较大，G4类传真需要2.4-64kbps带宽，而CAD/CAM则需要64kbps-34Mbps的带宽。
- 视频和多媒体业务
- 可视电话、视频会议、视频点播、普通电视、高清晰度电视等。该类业务所需的带宽差别很大，例如，会议电视需要64k-2Mbps，而高清晰度电视需要140Mbps左右。
- 语音业务
- 根据提供业务方式
- 承载业务
- 网络在UNI处提供的单纯的信息传送业务。 网络用电路或分组交换方式将信息从一个UNI透明地传送到另一个UNI，而不对信息做任何处理和解释，它与终端类型无关。一个承载业务通常用承载方式（分组还是电路交换）、承载速率、承载能力（语音、数据、多媒体）来定义。
- 用户终端业务
- 所有面向用户的业务，它在与终端的接口上提供。既反映了网络的信息传递能力，又包含了终端设备的能力，终端业务包括电话、传真、数据、多媒体等。一般来讲，用户终端业务都是在承载业务的基础上增加了高层功能而形成的。
- 补充业务
- 又叫附加业务，是由网络提供的，在承载业务和用户终端业务的基础上附加的业务性能。补充业务不能单独存在，它必须与基本业务一起提供。常见的补充业务有主叫号码显示、呼叫转移、三方通话、虚拟专网等
- 承载业务
- 通信网业务存在的主要问题是
- 大多数业务都是基于旧的技术和现存的网络结构来实现
- 除了基本的语音和低速数据业务外，大多数业务的服务性能都与用户实际的要求存在不小的差距
- 通信网提供的业务应呈现以下特征
- 移动性，包括终端移动性、个人移动性
- 带宽按需分配
- 多媒体性
- 交互性
通信网的分类
通信网的规划、设计、建设及优化过程中，需要对网内的各节点（或网元）进行合理的配置和连接，以实现可靠、迅速、高质及经济的现代通信网，也就是要对网络进行合理的组网
组网结构一般用网络拓扑结构描述，所谓拓扑结构是指构成通信网的节点之间的互连方式
1.2.1 基本组网结构
- 网状网（点点相连制）
- 传输链路数
- 优点- 点点相连，每个节点之间都有直达线路，信息传递迅速- 灵活性大，可靠性高，当其中任意线路发生阻断时，迂回线路多，可保证通信畅通- 通信节点不需要汇接交换功能，交换费用低- 缺点- 由于每个节点之间都互连，致使线路多，总长度长，建设投资和维护费用都很大- 在通信业务量不大时，线路利用率低- 适用- 网状网结构是一种适用于节点数较少，节点间有足够的通信业务量或有很高可靠性要求的场合
- 星形网（辐射制）
- 也称为辐射网，它是在网内中心设置一个中心节点，其他节点均有线路与中心节点相连。各节点间的通信都经中心节点转接。- 传输链路数
- 优点- 结构简单、线路少、总长度短、建设投资和维护费用比较低- 由于中心节点具有汇接交换功能，集中了通信业务量，提高了线路利用率- 一次通信最多只经一次转接- 缺点- 可靠性低，无迂回线路，若某一链路发生故障，该节点就无法接通，特别是如果中心节点出现故障，会造成全网瘫痪；- 通信业务量集中到一个中心节点，负荷过重时中心节点交换能力将影响传递速度- 适用- 适用于通信节点分布比较分散，距离远，相互间的通信业务量不大，而且大部分通信都来往于中心节点之间的情况
- 环形网
- 传输链路数
- 环型网在同样节点数情况下所需线路较网状网少，可靠性比星形网要高- 当任何两点间的线路发生阻断时，通信仍可通过迂回实现，但会因转接多而影响通信速度- 环形网可以是单向环也可以是双向环，双向自愈环结构可以对网络进行自动保护- 环型结构目前主要用于计算机局域网、光纤接入网、城域网、光传输网等网络中
- 线形网
- 线形网的网络结构与环形网不同之处是首尾不相连
- 总线形网
- 一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点接收- 优点：- 节点接入方便，成本低。- 缺点：- 当网络通信负荷较重时时延加大，网络效率下降；传输时延不定；如果传输媒质损坏，整个网络可能瘫痪。- 目前主要用于计算机局域网、接入网中
1.2.2 非基本组网结构
- 复合网（辐射汇接制）
- 以星形网为基础，在通信业务量较大的交换中心区间构成网状网- 吸取了网状网和星形网的优点，比较经济合理，而且有一定的可靠性- 在规模较大的局域网和通信骨干网中广泛采用分级的复合型网络结构- 在实际运用时，要根据具体情况和发展趋势来考虑复合网的级数
- 格形网
- 格形网也称栅格形网- 它可由复合网结构演化而成，也可由网状网退化而成，是复合网向网状网发展的中间状态- 网络的大部分节点相互之间有线路相连。一小部分节点与其他节点之间没有线路直接相连- 哪些节点间不需直达线路，视具体情况而定（一般是这些节点之间业务量相对较少）- 格形网与网状网相比，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- 网络的可靠性有所降低
- 树形网
- 树形网是星形网拓扑结构的扩展- 节点按层次进行连接，信息交换主要在上下节点之间进行- 这种结构与星形结构相比降低了通信线路的成本，但增加了网络复杂性- 网络中除最低层节点及其连线外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作- 树形结构主要用于用户接入网中，另外，主从网同步方式中的时钟分配网也采用树形网结构
- 蜂窝网
- 是无线接入网中常用的结构- 目的是解决常规移动通信系统频谱匮乏、容量小、服务质量差及频谱利用率低等问题- 它以无线传输媒质（微波、卫星、红外等）点到点和多点传输为特征- 适用于移动通信无线网、城域网、局域网
1.3 通信网的质量要求
1.3.1 一般通信网的质量要求
- 接通的任意性和快速性
- 指网内的一个用户应能快速地接通网内任一其他用户
- 如果有些用户不能与其他一些用户通信，则这些用户不在同一个网内或网内出现了问题
- 如果不能快速地接通，有时会使要传送的信息失去价值，这种接通将是无效的。
- 影响因素
- 通信网的拓扑结构：网络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
- 通信网的网络资源：网络资源不足的后果是增加阻塞概率
- 通信网的可靠性：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
- 信息传输的透明性与传输质量的一致性
- 透明
- 指在规定业务范围内的所有信息都可以在网内传输，对用户不加任何限制
- 传输质量的一致性
- 指网内任何两个用户通信时，不论这两个用户的远近，应具有相同或相仿的传输质量，而与用户之间的距离无关
- 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
- 透明
网络的可靠性与经济合理性
接续质量
- 反映电话网接续用户通话的速度和难易程度
- 度量指标：
- 接续损失（呼叫损失率，简称呼损）
- 接续时延
- 电话网的接续标准定义为：
- 呼损：市话：小于3% 长话：10%
- 接通时延：小于1min
- 传输质量
- 电话网传输话音信号的准确程度
- 响度：
- 话音音量，指收听到的话音音量的大小程度
- 清晰度：
- 话音可懂度，指收听到的话音的清晰可懂程度
- 逼真度：
- 话音音色，指收听到的话音音色和特征的不失真程度
- 上述三个指标一般由用户主观来评定
- 稳定性质量
- 通信网的可靠性
- 失效率
：系统在单位时间内发生故障的概率。 - 平均故障间隔时间(MTBF)：相邻两个故障发生的间隔时间的平均值
- 平均修复时间（MTTR）：修复一个故障的平均处理时间
- 系统有效度(A)：在规定的时间和条件内系统完成规定功能的概率
- 系统不可利用度(U)：在规定的时间和条件内系统丧失规定功能的概率
1.4 通信网的发展趋势
1.4.1 通信技术发展趋势
- 通信技术数字化
- 通信技术数字化就是在通信网中全面使用数字技术，包括
- 数字传输
- 数字交换
- 数字终端
- 数字化是“信息化”的基础
- 数字化是现代通信技术的基本特性和最突出的发展趋势
- 通信技术数字化就是在通信网中全面使用数字技术，包括
- 通信网络宽带化
- 用户对宽带新业务的需求开始迅速增加
- 从核心网看
- SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）潜力已尽，光纤的容量仅利用了1％左右，采用WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）技术已成为必然趋势
- 从长远看，光分插复用器和光交叉连接器节点是最终解决网络容量宽带化的手段
- 从接入网看
- xDSL（ 各种类型DSL(Digital Subscriber Line)数字用户线路的总称，包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等）和HFC （Hybrid Fiber－Coaxial，即混合光纤同轴电缆网）等技术可使铜缆接入速率大幅提升，3G、WiMAX等技术可实现无线接入宽带化，以FTTH（Fiber To The Home 光纤直接到家庭）为代表的光纤接入技术
- 长远观点看，一种结合ATM多业务多比特率支持能力和PON （Passive Optical Network：无源光纤网络），即APON，可能是透明宽带传送能力的比较理想的长远解决方案，代表宽带接入技术的最新发展方向。
- 通信业务综合化
- 通信综合化是把来自各种信息源的通信业务综合在一个数字通信网中传送，为用户提供综合性服务。
- N-ISDN
- 192kb/s(2B+D)的基本速率1.544Mb/s(23B+D)或2.048Mb/s(30B+D)的基群速率网络采用电路交换或分组交换方式。
- B-ISDN
- ITU-T（国际电信联盟电信标准化组）已明确提出B-ISDN的信息传递方式采用ATM，并确定了用户—网络接口速率和结构的国际标准，接口速率为155.520Mb/s和622.080Mb/s。
- 网络互通融合化
- 在ATM进入实用化的同时，Internet也取得 了迅猛发展，IPv6IP电话开始接近实用。
- 以电话网络为代表的通信网和以Internet为代表的数据网络的互通与融合进程将加快步伐。
- 在数据业务成为主导的情况下，现有通信网的业务将融合到下一代数据网中。
- IP数据网与光网络的融合、无线通信与互联网的融合也是通信技术的发展趋势和方向。
- 可以预见，未来将形成以全光干线传输体系为基础，ATM、IP(或某种形式混合体)为交换协议的通信网。
- 网络管理智能化
- 将传统电话网中交换机的功能予以分解
- 交换机
- 只完成基本的呼叫处理
- 计算机系统（具有业务控制功能）
- 各类业务处理，包括各种新业务的提供、修改以及管理等。
- 采用开放式结构和标准接口结构的灵活性、智能的分布性、对象的个体性、接口的综合性和网络资源利用的有效性等手段解决信息网络在性能、安全、可管理性、可扩展性等方面面临的诸多问题
通信服务个人化
电话、广播电视、互联网先后走进人们的生活，信息的交流和传输的方法已经超出了人们以往单纯所指的以电话为主体的电信通信
- 电信网、广播电视网和计算机网之间的“三网融合”已成为大势所趋
- 电信网
- 覆盖面广;
- 组织严密;
- 有长期积累的大型网络设计、运营和管理经验，最接近普通用户;
- 电信网在提供全球性业务方面具有优势;
- 传统电信网以电话网为主体，采用电路交换形式，最适于实时的电话业务，业务质量高且有保证。
- 以Internet为主体的计算机网
- 网络结构简单；
- 采用分组交换形式，适于传送数据业务；
- 所采用的IP协议是可为三大网络共同接受的通信协议；
- 计算机网发展速度快、业务成本低，可提供包括实时性语音业务在内的各种通信业务
- 有线电视网
- 覆盖面广、普及率高
- 其主要优势在于较高的接入带宽，在视频、数据服务市场等方面具有良好的商业前景
- 利用有线电视网络设施资源和低廉的价格可以提高信息传输的效率，开拓网络传输的途径，推动信息网络的普及
- 电信网
- 各项基础性技术的发展推动了网络之间的融合
- 数字技术的迅速发展和全面采用，使电话、数据和图像信号都可以通过统一的编码进行传输和交换
- 大容量光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输质量以及低廉的成本；
- 软件技术的发展，使得三大网络及其终端都不必过多改动硬件，通过软件就可使网络的功能不断升级、支持多种业务；
- IP协议的普遍采用，使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通，具体下层基础网络是什么已无关紧要。IP协议为三网融合奠定了坚实的联网基础。
三网融合：是一种广义的、社会化的说法，并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其表现为：
NGN：Next Generation Network
- 随着网络体系结构的演变和宽带技术的发展，传统网络将向下一代网络（NGN）演进
- NGN的概念已经提出多年，业界存在诸多解释
- 2004年国际电联NGN会议上
- NGN的定义
- NGN是基于分组的网络，能够提供电信业务
- 利用多种宽带能力和QoS保证的传送技术
- 其业务相关功能与其传送技术相独立
- NGN使用户可以自由接入到不同的业务提供商
- NGN支持通用移动性
- 从NGN的定义可以看出
- 它应是一个以IP为中心同时支持语音、数据和多媒体业务的融合网络
- 应具有的特性
- 传统电话网的普遍性和可靠性
- 因特网的灵活性
- 以太网的运作简单性
- ATM的低时延
- 光网络的带宽
- 蜂窝网的移动性
- 有线电视网的丰富内容
- NGN具有如下特点：
- 开放分布式网络结构
- 采用软交换（Soft Switch）技术，将传统的交换机功能模块分离为独立网络部件，各部件按相应功能划分各自独立发展。采用业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载分离技术，实现开放分布式网络结构，使业务独立于网络。通过开放式协议和接口，可灵活、快速地提供业务，用户可以自己定义业务特征，而不必关心承载业务的网络形式和终端类型。
- 高速分组化的核心网
- 核心网采用高速包交换网络，可实现电信网、计算机网和有线电视网三网融合，同时支持语音、数据和视频等业务
- 独立的网络控制层
- 网络控制层即软交换，采用独立开放的计算机平台，将呼叫控制从媒体网关中分离出来，通过软件实现基本呼叫控制功能，包括呼叫选路、管理控制和信令互通，使业务提供者可自由结合承载业务与控制协议，提供开放的API接口，从而可使第三方快速、灵活、有效地实现业务提供。
- 网络互通和网络设备网关化
- 通过接入多媒体样网化关接、入中方继式媒体网关和信令网关，可实现与现有的PSTN、PLMN、IN、Internet等网络的互通，有效地继承原有网络的业务。
- 通过接入媒体网关、中继媒体网关和信令网关，可实现与现有的PSTN ( Public Switched Telephone Network ，公共交换电话网络）、PLMN （Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络） 、IN （Intelligent Network 智能网）、Internet等网络的互通，有效地继承原有网络的业务。
- 多样化接入方式
- 普通用户可通过智能分组语音终端、多媒体终端接入，提供接入媒体网关、综合接入设备（IAD）来满足用户的语音、数据和视频业务的共存需求
- 开放分布式网络结构
- NGN的网络结构
- 从水平网络结构的观点来看
- 边缘接入：有各种宽窄带接入设备、各种类型的接入服务器、边缘交换机/路由器和各种网络互通设备构成。
- 核心网络：由基于DWDM光传送网连接骨干ATM交换机和骨干IP路由器构成
- 从网络功能垂直分层的观点来看：
- 分解成四个功能层面
- 业务和应用层：处理业务逻辑，其功能包括IN（智能网）业务逻辑、AAA（认证、鉴权、计费）和地址解析，并通过使用基于标准的协议和API来发展业务应用
- 控制层：此层决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处理。如：呼叫服务、指示传送层建立合适的承载连接等。控制层的核心设备是软交换，软交换需要支持更多的协议接口，以实现与不同类型网络的互通
- 传送层：指NGN的承载网络。负责建立和管理承载连接，并对这些连接进行交换和路由选择，用以响应控制层的控制命令，可以是IP网或ATM网
- 媒体接入层：由各类媒体网关和IAD组成，通过各种接入手段将各类用户连接至网络，集中用户业务将它们传递至目的地，并将信息格式转换成为能够在分组网络上传递的信息格式，例如，将语音信号分割成为ATM信号或IP包
- NGN的主要技术
- 采用软交换技术实现端到端业务的交换
- 采用IP技术承载各种业务，实现三网融合
- 采用IPv6技术解决地址问题，提高网络整体吞吐量；
- 采用MPLS（多协议标签交换）实现IP层和多种链路层协议（ATM/FR、PPP、以太网，或SDH、光波）结合
- 采用OTN（光传输网）和光交换网络解决传输和高带宽交换问题
- 采用宽带接入手段解决“最后一公里”的用户接入问题
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