导图社区 第十三章现代通信技术
这是一个关于第十三章现代通信技术的思维导图,现代通信所涉及的技术主要有数字通信技术、信息传输技术、宽带IP技术、接入网技术等。
编辑于2024-04-03 22:01:31第十三章现代通信技术
现代通信技术概述
通信
通信是指人与人之间、人与自然之间、人与物之间或者物与物之间按照约定进行信息的传递与交流,从广义上讲,通信就是需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下,采用任意方法、任意媒质,将信息从某方准确安全地传送到另一方。最简单也是最基本的理解,就是人与人沟通的方法。 通信有信源、信宿、信道三要素。通信就是信息的传递,通信就是由一地向另一地传递信息。通信的传输方式主要是利用电信号来进行通信这一方式。
信源是指通信过程中信息传输的起始端, 信宿是指通信过程中信息接收的终端, 信道是指信息传输过程中的通道,即信息传输过程中的媒介或载体。
通信技术研究的就是从信息的源头到信息的目的地的整个过程的技术问题,其中信息的源头和目的她可以是人也可以是物,即实现人与人之间、人与物之间、物与物之间信息传递的一门技术。
现代通信技术
在电产生之前,人们采用如烽火、旗语、击鼓等方式来进行通信;在电产生后,人们采用电报、传真、电话、手机、计算机网络等方式来进行通信。随着科技的不断发展,人们对信息的需求日益丰富与多样化。现代通信的发展为此提供了条件,因此,现代通信所指的信息己不再局限于电话、电报等单一媒体信息,而是将声音、文字、图像、数据等合为一体的多媒体信息,即通过人的各种感官,或通过传感器等仪器、仪表对现实世界的感知,形成多媒体或新媒体(人的五官之外)信息,再将这些信息通过通信手段进行传递。因此,现代通信技术就是如何采用最新的技术来不断优化通信的各种方式,让人与人的沟通变得更为便捷、有效。
现代通信所涉及的技术主要有数字通信技术、信息传输技术、宽带IP技术、接入网技术等。数字通信即传输数字信号的通信技术,是将信源发出的模拟信号经过数字化处理,变成适合于信道传输的数字信号,再传输到对端,经过相反的变换最终传送到信宿。数字通信抗午扰能力强,便于存储、处理和交换,己经成为现代通信网中最主要的通信技术,广泛应用于各种通信系统中。信息传输技术主要包括光纤通信、卫星通信、移动通信等,其发展具有数字化、综合化、宽带化、智能化和泛在化的特点。
通信技术发展历程
(1)古代通信
烽火传讯、信鸽传书、击鼓传声、天灯、旗语和信件等都是广为人知的古代通信方式。综观这些方式都是利用自然界的基本规律和人的基础感官(视觉、听觉等)可达性而建立的通信系统,是人类基于需求的最原始的信方式这些通信方式,或是广播式的,或是点对点式的,或是可视化的,或是无连接的,但都满足信息传递的要求。
(2)近现代通信
近现代通信与古代通信的分割点就是电磁技术的引入,而电磁技术的最早应用就是电报。电报和电话的发明给人类的通信带来了前所未有的变化,然而这种交流仅是在两个人或者少数群体之间进行。随着现代社会中人们需要分享的信息需求越来越多、要求越来越及时,无线通信及计算机通信应运而生。20世纪50年代以后,元器件制造、光纤技术、收音机、电视机、计算机、广播电视、数字通信业相继开始大发展。
(3)当代通信
移动通信和互联网带着人们踏入了当代通信的大门,语音业务不再是人们的主要诉求,取而代之的是全新的数据业务,如超高清视频(4K)、虚拟现实、智慧家庭、云计算、物联网、大数据等。技术的送代更替让人目不暇接,当代通信已经进入了一个全新的“全连接时代”。
1837 莫尔斯发明了有线电报
1864 麦克斯韦提出电磁辐射方程
1876 贝尔发明电话
1900 马可尼发明无线电报
1904 弗莱明发明真空二极
1918 阿姆斯特朗发明了超外差无线接收机
1936 英国BBC 电视台开播
1937 里弗斯提出脉冲编码调制技术
1946 世界上第一台通用计算机“ENIAC”诞生
1948 香农发表了信息论
1953 第一条横渡大西洋的电话电缆成功铺设
1960-1970 发明了集成电路;发射第一颗通信卫星
1970-1980 出现个人计算机;大规模集成电路出现;光纤通信
1980-当今 超大规模集成电路的应用;综合业务数字通信网(ISDN)的发展;数字移动通信技术的飞速发展;互联网的传泛应用;云计算、大数据、物联网、人工智能的崛起
现代通信发展趋势
通信技术的发展趋势可概括为“五化”,即综合化、融合化、智能化、宽带化和泛在化。
(1)通信业务综合化
电子邮件、交互式可视图文以及数据通信的其他各种增值业务等都在迅速发展。如果把各种通信业务以数字方式统一并综合到一个网络中进行传输、交换和处理,就可以达到一网多用的目的。现代通信的一个显著特点就是通信业务的综合化。
(2)网络互通融合化
以电话网络为代表的电信网络和以Intemet为代表的数据网络以及广播电视网络的互通与融合进程将加快步伐。IP数据网与光纤网络的融合、移动通信与光纤通信的融合、无线通信与互联网的融合等也是未来通信技术的发展趋势和方向。
(3)通信传送宽带化
通信网络的宽带化是电信网络发展的基本特征、现实要求和必然趋势。
(4)承载网络智能化
在通信承载网络中,采用开放式结构和标准接日结构的灵活性、智能的分布性解决了信息网尤其是人工智能、机器学习等先进技术在通信网络中得以应用,对通信网络的发展具有重要影响。
(5)通信网络泛在化
泛在网是指无处不在的网络,可以实现任何人或物体在任何地点、任何时间与任何其他地点的任何人或物体进行任何业务方式的通信。如物联网、车联网、工业互联网等。
移动通信技术
1.移动通信概念 移动通信是指通信的一方或双方处于运动中的通信,是移动体之间或移动体与固定体之间的通信。
2.移动通信技术的发展历程
(1)第一代移动通信技术(1G)以模拟信号为传输载体的蜂窝无线电话系统。诞生于20世纪80年代,使用模拟调制和频分多址技术,采用了多重蜂窝基站。
(2)第二代移动通信技术传输技术为核心。诞生于20世纪90年代初期,实现了从模拟制式到数字制式的跨越,也标志着人类开始进入语音通信数字化时代。2G时代的主要移动通信系统是GSM(全球移动通信系统),另外还有CDMA、TDMA等,主要采用窄带码分多址和时分多址技术。手机短信、彩信是2G最典型的通信业务。
(3)第三代移动通信技术(3G),是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。诞生于21世纪初,采用基于扩频通信的码分多址技术(CDMA),使数据传输速率大幅提升,实现了通话和移动互联网的接入,从此手机可以通过移动信号访问互联网。3G通信系统三大标准为CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA。
(4)第四代移动电话行动通信标准。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式,是集3G与WLAN于一体并能够快速传输数据,高质量音频、视频。LTE系统引入正交频分复用技术(Orthogonal Frenquency Division Multiplexing,OFDM)和多输入输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)等关键技术,采用全IP的核心网,使数据传输速率、频谱利用率和网络容量得到提升,具备更高的安全性、智能性和灵活性,并且时延得到降低。
(5)5G就是第五代通信技术。
3.5G技术
5G的概念
5G即第五代移动通信系统。2019年6月6日,我国工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照,标志着我国正式近向“5G 时代”。
5G 简言之,就是“万物互联、万物智联”。
5G的基本特点
(1)高速度 5G第一个特点就是速度的提升,比4GLTE蜂窝网快100倍。5G的基站峰值速率要求不低于20 Gb/s。
(2)泛在网 泛在网即广泛存在的网络,以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征,以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标。
(3)低时延5G 具有较低的网络时延(低于1ms)夢飛教育,即更快的响应时间,而4G的时延通常为30~ 70ms,因此5G能满足自动驾驶、远程医疗、工业自动化等实时应用。
(4)低功耗 5G网络中有eMTC和NB-IoT两种重要技术,这两种技术都能很好地降低功耗。
(5)高可靠性 5G 采取了混合自动重传请求的机制(HARQ)来确保系统的高可靠性。
(6)5G实现了网络制式的统一。
(7)5G的大容量、高带宽为万物互联提供了广阔的舞台和空间。
5G网络架构
5G 的网络架构主要包括5G接入网和5G核心网,其中NG-RAN代表5G接入网,5GC代表 5G 核心网。
5G 核心网主要包含:AFM,负责访问和移动管理功能;UP,用于支持用户平面功能; SMF,用于负责会话管理功能。
5G 接入网包含两种接入点:gNB,提供5G控制面和用户面服务的5G基站;ng-eNB,为用户提供LTE(4G网络)服务的基站;Xn接口,连接gNB和ng-eNB;NG接口,连接核心网和gNB、ng-eNB。
5G的关键技术
5G网络关键技术发展趋势向着三大类,分别向着提高速率、降低时延和提升覆盖这三大类方向改革技术。
(1)高频段传输
从1G到5G,系统传输使用的频率越来越高,这是因为其速率是和频率高低成比的,也就是说频率越高,可供使用的频率资源就越丰富;频率资源越丰富,能够实现的传输速率就越高。5G网络的高速传播就是通过极高频段传输实现的。
(2)超大规模阵列天线技术(MassiveMIMO天线技术)
MIMO (Multiple-input Multiple-output,多进多出)就是多根天线发送,多根天线接收。 Massive MIMO指的就是大规模天线阵列,即在手机端和基站端通过大幅增加收发端的天线数,来增加系统内可利用的自由度,形成受的速率和增益提升用户接入数。
(3)同时同频全双工
利用该技术,在相同的频谱上,通信的收发双方同时发射和接收信号,与传统的时分双工(time division duplex,TDD)和频分双工(frequency division duplex,FDD)方式相比,从理论上可使空口频谱效率提高1倍。全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱的资源使用限制,使得频谱资源的使用更加灵活。
(4)D2D(终端直通技术)
D2D技术可以实现短距离直接通信,数据传输速率高、时延低、功耗较小;终端无须占用太多基站频谱资源,实现频谱的高效利用,同时也极大地减轻基站传输压力。
(5)密集网络
超密集网络能够改善网络覆盖,大幅度提升系统容量,并且对业务进行分流,具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。
(6)新型网络架构 EDUY
未来5G可能采用无线网络云化技术(cloud-radio.access network,C-RAN)接入网架构。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。
(7)双连接技术
从全球范围来看,各国的5G频段主要有两类:一类是毫米波频段,如美国的28GHz、39GHz等:另一类是3.4GHz-3.8GHz高频频段,如我国的5G频段为35GHz。简单来说,就是手机能同时使用4G和5G进行通信,能同时下载数据。
(8)MEC技术
多接入边缘计算(Mobil/Multi-Access Edge Computing,MEC)技术主要是指通过在无线接入侧部署通用服务器,从而为无线接入网提供IT和云计算的能力。
(9) UDN技术
超密集组网(Ulta-Dense Networks,UDN)技术。UDN可以在一定程度上提高系统的频谱效率,并通过快速资源调度实现无线资源调配,提高系统无线资源利用率和频谱效率。5G 的超密集组网可以划分为宏基站+微基站、微基站+微基站两种模式,两种模式通过不同的方式实现干扰与资源的调度。
(10)网络切片技术
网络切片技术是将5G网络切成多个虚拟网络,每个虚拟网络间都是逻辑独立、相互隔离的,任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络。网络运营商可以根据不同需求选择所需要的特性,为特定的业务场景提供相应的网络服务,既节省成本,又提升了用户体验感。
5G网络部署
5G 组网模式分为NSA和SA两种。 NSA(Non-Standalone,非独立组网)模式通过整合5G基站和4G基站的方式组网,是目前绝大多数国家主流商用的组网模式。 SA(Standalone,独立组网)模式通过建设独立的5G基站实现组网,成本造价、覆盖进度相比NSA 更高、更慢。
5G网络建设流程
(1)网络需求分析
本阶段的主要任务是明确5G网络的建设目标。另外,还需要收集现网4G站点、数据业务流量分布(MR数据)及地理信息数据,这些数据都是5G网络规划的重要输入信息。
(2)网络规模估算
本阶段通过覆盖和容量估算来确定网络建设的基本规模,估算满足基本覆盖需求的基站数量,估算额外需要满足深度覆盖基站数量。
(3)站址规划
其内容包括基站选址、基站勘察以及基站规划参数设置等。
(4)无线网络仿真
无线网络规划仿真是对覆盖规划和容量规划进行模拟,判断规划是否达到预期目标。可通过规划仿真优化覆盖和容量规划,以达到更优效果。
(5)无线参数规划
主要包括天线高度、方向角、下倾角等小区基本参数,邻区规划参数,频率规划参数,以及PCI参数等,同时根据具体情况进行TA规划。这些参数最终将作为规划方案输出参数提交给后续的工程设计及优化使用。
5G的应用场景
(1)增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband, eMBB)
增强型移动宽带是指在现有移动宽带业务场景的基础上,对用户体验进行进步的提升,让目前受流量限制的体验在5G时代全面上线,如AR增强现实、VR虚拟现实,还有4K、8K超高清的视频。
(2)海量机器类通信(massive Machine Type of Communication,mMTC)
物联网应用是5G技术所瞄准的发展主轴之一,而网络等待时间的性能表现将成为5G技术能否在物联网应用市场上攻城略地的重要衡量指针。智能水表、电表的数据传输量小,对网络等待时间的要求也不高,使用NB-IoT相当合适:但对于某些关乎人身安全的物联网应用,如与医院联机的穿戴式血压计,则网络等待时间就显得非常重要,此时采用海量机器类通信会是比较理想的选择。
(3)低时延高可靠通信(ultra Reliable and Low Latency Communication,uRLLC)
低时延高可靠通信主要满足人一物连接需求,对时延要求低至1ms,可靠性高至9.999%,主要应用包括车联网的自动驾驶、工业自动化、移动医疗等。
4.移动通信技术中的传输技术、组网技术
1、传输技术
(1)多址技术
(2)OFDM(正交频分复用技术)。
2.组网技术
(1)频率再用。
(2)信道分配策略。
(3)切换策略和位置管理。
5.其他通信技术
1.蓝牙(bluetooth)是一种支持设备近距离通信的无线电技术,使得数据传输变得更加迅速高效。 一个蓝牙主设备可以同时与7个蓝牙从设备进行通信
2.Wi-Fi 也是一种近距离无线通信技术,能够在百米范围内支持设备互连接入,其技术标准为IEEE 802.11。
3.ZigBee(紫蜂)是一种新兴的短距离、低速率。低功耗无线通信技术,ZigBee通信技术可支持数千个微型传感器之他频信 特点:低速、低耗电、低成本、支持大量网络节点、支持多种网路拓扑.在网络方面复杂度低、快速、可靠、安全。
4.射频识别(RFID)技术是一种利用射频信号通过空问耦合,通过无接触信息传递达到识别和定位目的的技术。类似于人们常见的条形码扫描,它使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签,通过频率信号读写将信息由RFID标签传送至 RFID 读写器,无须物理接触即可完成识别。 特点:快速扫描、小型化、多样化、抗污染和耐用、可重复使用、穿透和无屏障阅读、数据容量大以及安全性高
5.卫星通信,简单地说就是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号,在两个或多个地面站之间进行的通信。 特点:通信范围大,可靠性高,开通电路便捷,同时可在多处接收,能经济地实现广播,多址通信
6.光纤通信是以光波为载体、光导纤维为传输介质的通信方式,由光源、光发送机、光纤以及光接收机等几部分组成。 特点:频带宽,损耗低,中继距离长,抗电磁干扰能力强,重量轻,耐腐蚀