第一篇 基礎篇

第1章 通信網概述

本章教學說明

? 重點介紹電信系統構成、通信網拓撲結構，建立電信網的整體框架

? 簡要介紹三網融合的背景及發展

? 概括介紹通信網的發展歷程及發展趨勢

本章內容

? 通信網結構

? 通信網的發展

? 三網融合

本章重點、難點

? 電信網的整體框架

? 電信系統構成

本章目的和要求

? 掌握電信系統的組成

? 掌握電信網的拓撲結構

? 理解電信網的分類及其網絡的相關概念

本章實做要求及教學情境

? 參觀運營商機房

? 撥打電話分析通信過程

? 畫出本地寬帶城域網的結構

? 體驗IPTV點播服務

本章學時數：4學時

1.1 通信網的結構

1.1.1 通信網的組成

探討

? 通話是如何實現的？通話過程經歷哪些網元？

? 通信網有哪幾種？

通信網是構成多個用戶相互通信的多個電信系統互連的通信體系，是人類實現遠距離通信的重要基礎設施，它利用電纜、無線、光纖或者其他電磁系統，傳送、發射和接收標識、文字、圖像、聲音或者其他信號。

1．簡單的通信網

電信系統是各種協調工作的電信設備集合的整體，最簡單的電信系統是只在兩個用戶之間建立的專線系統，如有5部電話要實現互相通話，則需要專線將5部電話兩兩相連，如圖1-1所示。

探討

通話的電話用戶越來越多時，會出現什么問題？

隨著電話越來越多，需要連接的專線也越來越多，而通信系統是為公眾用戶提供服務的，自然要服務較多的用戶，這樣系統會越來越龐雜。對于較復雜的通信系統，為了解決隨著用戶數增加而帶來的專線連接問題，產生了交換式通信系統，即多個用戶同時接到交換機上，由交換機根據需要實時完成呼叫接續，在此基礎上形成了以交換機為核心的通信系統，具體如圖1-2所示。

交換設備是實現一個呼叫終端（用戶）和它所要求的另一個或多個終端（用戶）之間的接續或非連接傳輸選路的設備和系統，是構成通信網中節點的主要設備。

交換設備根據主叫用戶終端所發出的選擇信號來選擇被叫終端，使這兩個或多個終端間建立連接，然后，經過交換設備連通的路由傳遞信號。

現在的交換設備包括電話交換機、數據交換機、移動電話交換機、ATM 交換機、IP 交換機、軟交換設備等。圖1-3所示為交換設備。

通信最基本的形式是在點與點之間建立通信系統（見圖 1-1），但這還不能稱為通信網，只有將許多的通信系統通過交換系統按一定的拓撲結構組合在一起才能稱之為通信網。即有了交換系統才能使某一地區內任意兩個終端用戶相互接續，才能組成通信網。

2．具有等級結構的通信網

隨著通信用戶的增多，通信網出現了等級化結構。網絡的等級結構是指對網中各交換中心的一種安排。我國通信網采用的是分層的等級結構。通信終端是通過交換設備連接到一起形成網絡的，每一個交換設備能夠連接的終端區域是有限的。一般在本地網的范圍內需要多個交換設備，而這些交換設備又是通過更高一級（省級）的交換設備相互連通的。因此，現有的通信網是把交換設備根據其所處的位置的不同進行了等級劃分，而形成的具有等級結構的通信網。所謂等級結構，就是把全網的交換局劃分成若干個等級。一般而言，低等級的交換局與管轄它的高等級的交換局相連，形成多級匯接輻射網即星狀網；而最高等級的交換局間則直接互連，形成網狀網。

在等級網中，每個交換中心被賦予一定的等級，不同等級的交換中心采用不同的連接方式，低等級的交換中心一般要連接到高等級的交換中心。以電話網為例，現在的電話通信網就是典型的等級結構。其中：

一級交換中心為省際長途交換中心，一般設在省會城市或直轄市，稱為 DC1；構成長途兩級網的高平面網（省際平面）；

二級交換中心為省內長途交換中心，一般設在地市級城市，稱為 DC2；構成長途兩級網的低平面網（省內平面），圖1-4為電話網的兩級長途網結構。

三級交換中心為本地網交換終端局，一般設置本地網的各個不同區域，與具體的通信終端相連。

國際出/入口局包括北京、上海、廣州；省級出/入口局設在 DC1；地市出/入口局設在DC2。

由上所述，我國的電話通信網按等級劃分，可分為一級干線、二級干線、本地網。一級干線是指在省間進行通信的網絡，比如，省會城市長途局完成到其他省的電話交換，京太西光纜從北京到陜西經過多個省市。二級干線是指在省內不同地市間進行通信的網絡，比如，某地市長途局完成到本省其他地市電路的交換。本地網是指在同一個長途區號內，由若干個市話端局和匯接局、局間中繼、長市中繼、用戶線和話機終端等所組成的電話網。

經過多年的網絡建設，電話網的等級數逐漸減少，目前基本建成具有2個平面的長途電話網。

歸納思考

? 我國電話網采用等級的輻射匯接制，由原來的四級長途交換中心變為兩個長途交換平面，為什么會出現層級減少的現象？

? 級數減少會有什么好處？

通信網由用戶終端設備、交換設備和傳輸設備組成。通信網使用交換設備、傳輸設備將地理上分散的用戶終端互連起來實現通信和信息交換。通信系統運行時還應輔之以信令系統、通信協議及相應的運行支撐系統。現在世界各國的通信體系正向數字化的電信網發展，已經基本代替模擬通信的傳輸和交換，并且向智能化、綜合化的方向發展。

3．電信系統組成模型

不管是簡單還是復雜的通信系統，要實現將信息從一點傳遞到另外一點的功能，需要具備一些共性的設備，可以抽象和概括為統一的通信系統模型，如圖1-5所示。

信源是產生信息的人或機器，如聲音（話筒）、符號源（計算機）、多媒體源（攝像機）等。

發送器是完成變換，使信號源的輸出信號變成便于傳輸的信號（電或光信號）的設備。如編碼、調制、放大等。

信道是傳送信號的媒介，如電纜、光纖、空間等。

接收器是完成接收信號的反變換，如譯碼器、解調器、放大器等。

信宿為接收信息的人或機器，如聽筒、顯示屏、電視、錄像機、打印機等。字將信號恢復為原始信息。

交換設備在用戶群內相互通信的用戶終端之間，按需提供傳輸信道構成臨時通信連接；并可控制信號流向及流量的集散，從而達到共用電信設施和提高設備利用率的目的。交換設備是電信網的核心，它的基本功能是完成接入交換節點鏈路的匯集、轉接接續和分配。

噪聲是除去信息以外所有能量的總稱，它并不是一個人為實現的實體，但在實際通信系統中又是客觀存在的，可以存在于發送器、信道、交換設備及接收器中。

歸納思考

一個完整的電信系統應由終端設備、傳輸設備（包括線路）和交換設備三大部分組成。例如，電話系統中，終端設備是電話機，傳輸設備是用戶線、中繼線，交換設備是電話交換機。

4．通信網的拓撲結構

以終端設備、交換設備為點，以傳輸設備為線，點、線相連就構成了一個通信網，即電信系統的硬件系統。

探討

龐大的通信網絡中，各種設備如何連接起來的呢？電話網和計算機網的結構形式會一樣嗎？

所謂拓撲，即網絡的形狀、網絡節點和傳輸線路的幾何排列，用來反映電信設備物理上的連接性，拓撲結構直接決定網絡的效能、可靠性和經濟性。電信網拓撲結構是描述通信設備間、通信設備與終端間鄰接關系的連通圖。網絡的拓撲結構主要有網狀網、星狀網、復合網、環狀網、總線網、蜂窩網等形式，下面逐一進行介紹。

（1）網狀網

網狀網又稱為點點相連制，網中任何兩個節點之間都有直達鏈路相連接，在通信建立的過程中，不需任何形式的轉接。如圖1-6所示。

網狀網的優點如下。

① 點點相連，每個通信節點間都有直達電路，信息傳遞快。

② 靈活性大，可靠性高，其中任何一條電路發生故障時，均可以通過其他電路保證通信暢通；

③ 通信節點不需要匯接交換功能，交換費用低。

網狀網的缺點如下。

① 線路多，總長度長，基本建設和維護費用都很大。

② 在通信量不大的情況下，電路利用率低。

綜合以上優缺點可以看出：網狀網適用于通信節點數較少，而相互間通信量較大，又有很高可靠性要求的場合，如通信骨干網。

（2）星狀網

星狀網又稱為輻射制，在地區中心設置一個中心通信點，地區內的其他通信點都與中心通信點有直達電路，而其他通信點之間的通信都經中心通信點轉接，如圖1-7所示。

采用星狀網形式建網時，如果通信網中的節點數為N，則連接網絡的鏈路數H為

H = N?1

星狀網的優點如下。

① 網絡結構簡單、電路少、總長度短，基本建設和維護費用少。

② 中心通信點增加了匯接交換功能，集中了業務量，提高了電路利用率。

③ 只經一次轉接。

星狀網的缺點如下。

① 可靠性低，若中心通信點發生故障，整個通信系統癱瘓。

② 通信量集中到一個通信點，負荷重時影響傳輸速度。通信量大時，交換成本增加。

③ 相鄰兩點的通信也需經中心點轉接，電路距離增加。

綜合以上優缺點可以看出：這種網絡結構適用于通信點比較分散、相互之間通信量不大、傳輸鏈路費用高于轉接設備、可靠性要求又不高的場合，且大部分通信是中心通信點和其他通信點之間的往來。下面以接入網為例，介紹星狀網的應用實例。

例1-1 接入網中的星狀結構

當接入網中需要有一個特殊點（即樞紐點）與其余所有點直接相連，且其余各點間不能直接相連時，就構成了星狀結構，其網絡結構如圖1-8所示。

傳統電信接入網中，各個用戶最終都要與本地交換機相連，即業務要集中在本地交換機這個特殊點上，因此星狀拓撲成了一種最直接的選擇。本地交換機成為各用戶業務的樞紐點，所以星狀拓撲又稱為樞紐型拓撲。

星狀網有以下優點。

① 控制簡單。在星狀網中，任一節點都和交換機直接相連，因而便于控制。

② 故障診斷和隔離容易。星狀網中，交換機上連接的每條線路都可以單獨隔離開來進行故障檢測和定位，并且單個節點的故障只影響一臺用戶設備，不會影響全網。

③ 方便服務。星狀網便于交換局對各個站點提供服務和網絡重新配置。

星狀網結構有如下缺陷。

① 本地線纜長度長、安裝工作量大。因為每個節點都要直接通過線纜連接交換機，因此，需要耗費大量線纜，安裝、維護的工作量也會隨用戶數的增加而加大。

② 對交換機可靠性和冗余度要求較高。星狀網中，交換機處匯聚了整個網絡的業務量，負擔很重，且交換機一旦出現故障，全網就會癱瘓，因此，要求交換機有很高的可靠性和冗余度。

例1-2 接入網中的樹狀結構

樹狀結構適用于單向廣播網絡，如傳統的有線電視網 CATV 網絡就采用了這種拓撲結構，近年來發展迅速的光接入網也常常采用這種結構。樹狀接入網的結構如圖1-8所示。

樹狀網的優點如下。

① 易于擴展。樹狀結構可以向下延伸很多分支，這使得網絡中容易加入新分支和新節點。

② 故障診斷和隔離較容易。如果某條線路或某個節點或發生故障，只需將這一分支隔離出來，就不會影響整個網絡。

③ 較為經濟。樹狀接入網中，用戶可以共享一部分線路，經濟性較星狀網較好。

樹狀結構的缺點主要在于整個網絡對本地交換機的依賴性較大，如果交換機發生故障，則全網都不能工作，因此和星狀機構一樣，樹狀結構對交換機的可靠性和冗余度也要求較高。

（3）復合網

復合網又稱為輻射匯接網，是以星狀網為基礎，在通信量較大的地區間構成網狀網。復合網吸取了網狀網和星狀網二者的優點，比較經濟合理，且有一定的可靠性，是目前通信網的基本結構形式，如圖 1-10 所示。適用于規模較大的局域網和電信骨干網，現在電信網中廣泛采用分級的復合型網絡結構。

（4）總線網

總線網屬于共享傳輸介質型網絡，網絡中所有的站點共享一條數據通道，通常用于計算機局域網、工業控制中，如圖 1-11 所示。總線型網絡安裝簡單方便，需要鋪設的電纜最短，成本低，某個站點的故障一般不會影響整個網絡，但介質的故障會導致網絡癱瘓，總線網安全性低，監控比較困難，增加新站點也不如星狀網容易。

（5）環狀網

環狀網中所有節點首尾相連，通過通信介質連成一個封閉的環形，如圖 1-12 所示。環狀網容易安裝和監控，但容量有限，網絡建成后，難以增加新的站點，目前主要用于光纖接入網、城域網、光傳輸網等網絡中。

（6）蜂窩網

蜂窩網是移動通信網的網絡拓撲結構形式，形狀為正六邊形，連在一起，像蜂窩形狀，如圖1-13所示。

我們知道計算機系統只有硬件無法使用，還需要安裝相應的軟件系統才可以使用。那么電信系統只有這些硬件設備也不能很好地完成信息的傳遞和交換，還需有系統的軟件，即一整套的網絡技術，才能使由設備所組成的靜態網變成一個協調一致、運轉良好的動態體系。網絡技術包括網的拓撲結構、網內信令、協議和接口及網的技術體制和標準等，是業務網實現電信服務和運行支撐的重要組成部分，類似于人的神經系統。

警示

電信系統的組成不單單包括硬件設備，還應該包括電信網的軟件系統，如信令、協議等。

歸納思考

分析不同的網絡拓撲結構，列舉各種拓撲結構適用的場合。

1.1.2 通信網的分類

重點掌握

? 電信網的分類。

? 電信網的分層結構中不同層之間的關系。

1．通信網的種類

最早的通信網是從電話與電報通信網開始的，發展到現在，通信網包括的范圍及內涵不斷發生變化，從電話通信網、數據通信網、廣電網發展到今天的三網融合。交換方式也隨著網絡技術的發展而不斷更新。主要分類包括：按電信業務的種類分為電話網、電報網、數據通信網，移動通信網、有線電視網等；按傳輸媒介種類分為架空明線網（已經消失）、電纜通信網、光纜通信網、衛星通信網、用戶光纖網、低軌道衛星移動通信網等。

2．通信網絡結構模型

電信網從產生以來就是面向公眾提供服務的，結合電信業務的特點，為了保證業務質量，人們引入網絡的分層結構。現有的通信網絡結構模型可以抽象成圖 1-14 的形式。從網絡分層的觀點看，目前網絡可分為傳輸層、路由交換層和業務應用層，從地域上看，通信網可分為骨干網、城域網、接入網和駐地網。

傳送層是支持業務網的傳送手段和基礎設施，由線路設施、傳輸設施等組成的為傳送信息業務提供所需傳送承載能力的通道。

路由交換層負責傳輸各種信息的路由交換，用戶提供的諸如電話、電報、圖像、數據等信息均是通過交換網絡實現信息的交換。具體的交換網絡包括電話交換網、移動交換網、智能網、數據通信網等。

業務應用層是表示各種信息應用，如遠程教育、會議電視等。

支撐網支撐電信業務網絡的正常運行，可以支持上述3個層面的工作，提供保證網絡有效正常運行的各控制和管理能力，包括信令網、同步網和電信管理網。

傳統電信網絡按照長途網、本地網、接入網來劃分，目前逐步過渡到骨干網、城域網、接入網和駐地網。

警示

支撐網與它所支撐和管理的電信網是緊密耦合的，但它在概念上又是一個分離的網絡，支撐網有可能利用電信網的一部分來實現它的通信能力。

1.2 通信網的發展

1.2.1 通信網的發展歷程

通信網絡的建設和發展，經歷了如下3個階段。

① 網絡適應信號的階段。傳什么信號建什么網，如固定電話網、電報網、數據通信網、移動通信網等。

② 在同一個網絡中綜合傳輸各種信號的階段。也就是綜合業務網，如 N-ISDN 網、B-ISDN 網等，用原有的通信網傳輸電話、數據等業務，可以適應低速的話音、數字和圖像的傳輸。

③ 信號適應網絡的階段。建立統一的、基于 IP 的數字化網絡，采用 IP 技術，可以將話音、高速的數字、圖像等統一以 IP 的方式傳送，其間信號的特征已經不再成為網絡發展的障礙。

通信網絡的建設和發展，經歷了從網絡適應信號到信號適應網絡的過程，這個過程完全是由于通信網絡在技術內涵、指導思想等方面不斷革新的結果。

1.2.2 通信網的發展趨勢

從水平的視點來看，下一代電信網絡將是以數據，特別是 IP 業務為中心的數據傳輸網絡，電話網絡則通過電信級網關與網絡相連。整個網絡可以分為邊緣層和核心層。

邊緣層面向用戶，負責提供各種中低速接口，匯集業務，提供服務，增加效益。

核心層面向邊緣層，為邊緣層產生的業務流量提供高效可用的信號復用、傳送、交換和選路，使網絡的結構簡單、成本降低、提高效率，但是核心層對于業務是透明的。

核心層的骨干業務接點目前多采用數據交換設備和路由器組成，處于邊緣層的各類電信業務網通過各類接入網關接入到核心網。

IP（Internet Protocol）技術廣泛采用，目前數據聯網的協議主要是IP協議。由于IP業務成為網絡的主要業務和應用協議，ATM 和 SDH 的作用將逐步削弱，更高效率的 IP over SDH 將逐步成為網絡的主導形式，在核心網絡中取代 ATM 交換機甚至路由器（IP over WDM）。

下一代網演化的條件是能夠支持基于 ATM/IP 分組網和電路交換網間的無縫連接，保證各自用戶的應用/業務的互操作性。

下一代網絡也不是單純的 IP 技術的互聯網，因為單一 IP 技術的互聯網在安全性、QoS保障、可運營、可管理等方面存在缺陷，因此下一代網應是各種技術結合型的網絡。

從通信網絡的發展來看，下一代網絡是更加簡單，組網更加靈活，網絡的構架更加方便，可以提供帶寬更寬、效率更高、質量更好、更加安全的網絡。

1.3 三網融合

1.3.1 三網融合的概念

三網融合是指電信網、廣播電視網、互聯網在向寬帶通信網、數字電視網、下一代互聯網演進過程中，三大網絡通過技術改造，其技術功能趨于一致，業務范圍趨于相同，網絡互聯互通、資源共享，能為用戶提供語音、數據和廣播電視等多種服務。三網融合并不意味著三大網絡的物理合一，而主要是指高層業務應用的融合。三網融合應用廣泛，遍及智能交通、環境保護、公共安全、平安家居等多個領域。三網融合后，手機可以看電視、上網，電視可以打電話、上網，計算機也可以打電話、看電視。

1.3.2 三網融合的背景和發展

2008 年 1 月 1 日，國務院辦公廳轉發國家發展和改革委員會、科技部、財政部、信息產業部、稅務總局、國家廣播電影電視總局六部委《關于鼓勵數字電視產業發展若干政策的通知》（國辦發[2008]1 號），提出“以有線電視數字化為切入點，加快推廣和普及數字電視廣播，加強寬帶通信網、數字電視網和下一代互聯網等信息基礎設施建設，推進‘三網融合’，形成較為完整的數字電視產業鏈，實現數字電視技術研發、產品制造、傳輸與接入、用戶服務相關產業協調發展”。

2009 年 5 月 19 日，國務院批轉發國家發展和改革委員會《關于 2009 年深化經濟體制改革工作意見》的通知（國發〔2009〕26 號），文件指出：“落實國家相關規定，實現廣電和電信企業的雙向進入，推動‘三網融合’取得實質性進展（工業和信息化部、國家廣播電影電視總局、國家發展和改革委員會、財政部負責）。

從業務政策層面看，三網融合是大勢所趨；從下一代通信網的發展趨勢來看，下一代網是三網融合的網絡。這一點從 ITU-T 對下一代網（NGN）的定義就可以看出，ITU-T 指出：“NGN 表示了實現全球基礎信息設施（GII）的關鍵技術。NGN 被看成是 GII 的“網絡聯邦”（即用IP能力增強的傳統電信、廣播和數據網的聯合）的一部分。這一概念使人們能夠在任何時間、任何地方和以可以接受的價格與質量，安全地使用一組包括所有信息模式和支持開放式多種應用的通信業務。

從業務開展的角度來看，下一代網絡是適宜開展多業務（包括話音、數據，特別是高速數據、視頻）的平臺，適宜網絡和不同行業的網絡（如電信網絡、計算機網絡和廣播電視網絡）融合，甚至是直接完成三網融合的網絡。

1.3.3 三網融合的新業務

隨著三網融合政策的推進，給新的業務應用的發展開辟了新的空間。三網融合打破了此前廣電在內容輸送、電信在寬帶運營領域各自的壟斷，明確了互相進入的準則——在符合條件的情況下，廣電企業可經營增值電信業務、比照增值電信業務管理的基礎電信業務、基于有線電視網絡提供的互聯網接入業務等；而國有電信企業在有關部門的監管下，可從事除時政類節目之外的廣播電視節目生產制作、互聯網視聽節目信號傳輸、轉播時政類新聞視聽節目服務，IPTV傳輸服務、手機電視分發服務等。

實做項目及教學情境

實做項目一：參觀運營商機房。

目的：認識交換機、傳輸設備，形成對通信網絡的初步認識。

實做項目二：撥打電話分析通信過程

目的：通過撥打電話，體驗電話的接續過程。

實做項目三：畫出本地寬帶城域網的結構。

目的：通過上網學習，查閱資料，結合網絡結構模型，畫出本地寬帶城域網的結構。

實做項目四：體驗IPTV點播服務。

目的：體驗三網融合后，廣電網提供的非廣播的、互動服務。

小結

1．電信系統由發信終端（信源）、傳輸信道、收信終端（信宿）及交換設備組成。以終端設備、交換設備為點，以傳輸設備為線，點、線相連就構成了一個通信網。

2．電信網的拓撲結構，主要有星狀網、網狀網、復合網、環狀網、總線網和蜂窩網。

3．從網絡分層的觀點看，目前網絡可分為傳輸層、路由交換層和業務應用層，從地域上看，通信網可分為骨干網、城域網、接入網和駐地網。

思考與練習題

1-1 簡述電信系統的組成模型，并說明模型中各部件的功能。

1-2 電信系統三大硬件設備各包括哪些內容？

1-3 舉例說明等級結構的通信網絡的概念。

1-4 網絡拓撲結構有哪些種類？各類的優缺點及適用的網絡情況如何？

1-5 簡述電信網的分類。

1-6 簡述通信網的網絡結構模型。

1-7 簡述通信網的發展歷程。

1-8 簡述通信網絡的邊緣層和核心層的功能劃分。

1-9 什么叫三網融合？