第一篇 基础篇

第1章 通信网概述

本章教学说明

• 重点介绍电信系统构成、通信网拓扑结构，建立电信网的整体框架

• 简要介绍三网融合的背景及发展

• 概括介绍通信网的发展历程及发展趋势

本章内容

• 通信网结构

• 通信网的发展

• 三网融合

本章重点、难点

• 电信网的整体框架

• 电信系统构成

本章目的和要求

• 掌握电信系统的组成

• 掌握电信网的拓扑结构

• 理解电信网的分类及其网络的相关概念

本章实做要求及教学情境

• 参观运营商机房

• 拨打电话分析通信过程

• 画出本地宽带城域网的结构

• 体验IPTV点播服务

本章学时数：4学时

1.1 通信网的结构

1.1.1 通信网的组成

探讨

• 通话是如何实现的？通话过程经历哪些网元？

• 通信网有哪几种？

通信网是构成多个用户相互通信的多个电信系统互连的通信体系，是人类实现远距离通信的重要基础设施，它利用电缆、无线、光纤或者其他电磁系统，传送、发射和接收标识、文字、图像、声音或者其他信号。

1．简单的通信网

电信系统是各种协调工作的电信设备集合的整体，最简单的电信系统是只在两个用户之间建立的专线系统，如有5部电话要实现互相通话，则需要专线将5部电话两两相连，如图1-1所示。

探讨

通话的电话用户越来越多时，会出现什么问题？

随着电话越来越多，需要连接的专线也越来越多，而通信系统是为公众用户提供服务的，自然要服务较多的用户，这样系统会越来越庞杂。对于较复杂的通信系统，为了解决随着用户数增加而带来的专线连接问题，产生了交换式通信系统，即多个用户同时接到交换机上，由交换机根据需要实时完成呼叫接续，在此基础上形成了以交换机为核心的通信系统，具体如图1-2所示。

交换设备是实现一个呼叫终端（用户）和它所要求的另一个或多个终端（用户）之间的接续或非连接传输选路的设备和系统，是构成通信网中节点的主要设备。

交换设备根据主叫用户终端所发出的选择信号来选择被叫终端，使这两个或多个终端间建立连接，然后，经过交换设备连通的路由传递信号。

现在的交换设备包括电话交换机、数据交换机、移动电话交换机、ATM 交换机、IP 交换机、软交换设备等。图1-3所示为交换设备。

通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统（见图 1-1），但这还不能称为通信网，只有将许多的通信系统通过交换系统按一定的拓扑结构组合在一起才能称之为通信网。即有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。

2．具有等级结构的通信网

随着通信用户的增多，通信网出现了等级化结构。网络的等级结构是指对网中各交换中心的一种安排。我国通信网采用的是分层的等级结构。通信终端是通过交换设备连接到一起形成网络的，每一个交换设备能够连接的终端区域是有限的。一般在本地网的范围内需要多个交换设备，而这些交换设备又是通过更高一级（省级）的交换设备相互连通的。因此，现有的通信网是把交换设备根据其所处的位置的不同进行了等级划分，而形成的具有等级结构的通信网。所谓等级结构，就是把全网的交换局划分成若干个等级。一般而言，低等级的交换局与管辖它的高等级的交换局相连，形成多级汇接辐射网即星状网；而最高等级的交换局间则直接互连，形成网状网。

在等级网中，每个交换中心被赋予一定的等级，不同等级的交换中心采用不同的连接方式，低等级的交换中心一般要连接到高等级的交换中心。以电话网为例，现在的电话通信网就是典型的等级结构。其中：

一级交换中心为省际长途交换中心，一般设在省会城市或直辖市，称为 DC1；构成长途两级网的高平面网（省际平面）；

二级交换中心为省内长途交换中心，一般设在地市级城市，称为 DC2；构成长途两级网的低平面网（省内平面），图1-4为电话网的两级长途网结构。

三级交换中心为本地网交换终端局，一般设置本地网的各个不同区域，与具体的通信终端相连。

国际出/入口局包括北京、上海、广州；省级出/入口局设在 DC1；地市出/入口局设在DC2。

由上所述，我国的电话通信网按等级划分，可分为一级干线、二级干线、本地网。一级干线是指在省间进行通信的网络，比如，省会城市长途局完成到其他省的电话交换，京太西光缆从北京到陕西经过多个省市。二级干线是指在省内不同地市间进行通信的网络，比如，某地市长途局完成到本省其他地市电路的交换。本地网是指在同一个长途区号内，由若干个市话端局和汇接局、局间中继、长市中继、用户线和话机终端等所组成的电话网。

经过多年的网络建设，电话网的等级数逐渐减少，目前基本建成具有2个平面的长途电话网。

归纳思考

• 我国电话网采用等级的辐射汇接制，由原来的四级长途交换中心变为两个长途交换平面，为什么会出现层级减少的现象？

• 级数减少会有什么好处？

通信网由用户终端设备、交换设备和传输设备组成。通信网使用交换设备、传输设备将地理上分散的用户终端互连起来实现通信和信息交换。通信系统运行时还应辅之以信令系统、通信协议及相应的运行支撑系统。现在世界各国的通信体系正向数字化的电信网发展，已经基本代替模拟通信的传输和交换，并且向智能化、综合化的方向发展。

3．电信系统组成模型

不管是简单还是复杂的通信系统，要实现将信息从一点传递到另外一点的功能，需要具备一些共性的设备，可以抽象和概括为统一的通信系统模型，如图1-5所示。

信源是产生信息的人或机器，如声音（话筒）、符号源（计算机）、多媒体源（摄像机）等。

发送器是完成变换，使信号源的输出信号变成便于传输的信号（电或光信号）的设备。如编码、调制、放大等。

信道是传送信号的媒介，如电缆、光纤、空间等。

接收器是完成接收信号的反变换，如译码器、解调器、放大器等。

信宿为接收信息的人或机器，如听筒、显示屏、电视、录像机、打印机等。字将信号恢复为原始信息。

交换设备在用户群内相互通信的用户终端之间，按需提供传输信道构成临时通信连接；并可控制信号流向及流量的集散，从而达到共用电信设施和提高设备利用率的目的。交换设备是电信网的核心，它的基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接接续和分配。

噪声是除去信息以外所有能量的总称，它并不是一个人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的，可以存在于发送器、信道、交换设备及接收器中。

归纳思考

一个完整的电信系统应由终端设备、传输设备（包括线路）和交换设备三大部分组成。例如，电话系统中，终端设备是电话机，传输设备是用户线、中继线，交换设备是电话交换机。

4．通信网的拓扑结构

以终端设备、交换设备为点，以传输设备为线，点、线相连就构成了一个通信网，即电信系统的硬件系统。

探讨

庞大的通信网络中，各种设备如何连接起来的呢？电话网和计算机网的结构形式会一样吗？

所谓拓扑，即网络的形状、网络节点和传输线路的几何排列，用来反映电信设备物理上的连接性，拓扑结构直接决定网络的效能、可靠性和经济性。电信网拓扑结构是描述通信设备间、通信设备与终端间邻接关系的连通图。网络的拓扑结构主要有网状网、星状网、复合网、环状网、总线网、蜂窝网等形式，下面逐一进行介绍。

（1）网状网

网状网又称为点点相连制，网中任何两个节点之间都有直达链路相连接，在通信建立的过程中，不需任何形式的转接。如图1-6所示。

网状网的优点如下。

① 点点相连，每个通信节点间都有直达电路，信息传递快。

② 灵活性大，可靠性高，其中任何一条电路发生故障时，均可以通过其他电路保证通信畅通；

③ 通信节点不需要汇接交换功能，交换费用低。

网状网的缺点如下。

① 线路多，总长度长，基本建设和维护费用都很大。

② 在通信量不大的情况下，电路利用率低。

综合以上优缺点可以看出：网状网适用于通信节点数较少，而相互间通信量较大，又有很高可靠性要求的场合，如通信骨干网。

（2）星状网

星状网又称为辐射制，在地区中心设置一个中心通信点，地区内的其他通信点都与中心通信点有直达电路，而其他通信点之间的通信都经中心通信点转接，如图1-7所示。

采用星状网形式建网时，如果通信网中的节点数为N，则连接网络的链路数H为

H = N−1

星状网的优点如下。

① 网络结构简单、电路少、总长度短，基本建设和维护费用少。

② 中心通信点增加了汇接交换功能，集中了业务量，提高了电路利用率。

③ 只经一次转接。

星状网的缺点如下。

① 可靠性低，若中心通信点发生故障，整个通信系统瘫痪。

② 通信量集中到一个通信点，负荷重时影响传输速度。通信量大时，交换成本增加。

③ 相邻两点的通信也需经中心点转接，电路距离增加。

综合以上优缺点可以看出：这种网络结构适用于通信点比较分散、相互之间通信量不大、传输链路费用高于转接设备、可靠性要求又不高的场合，且大部分通信是中心通信点和其他通信点之间的往来。下面以接入网为例，介绍星状网的应用实例。

例1-1 接入网中的星状结构

当接入网中需要有一个特殊点（即枢纽点）与其余所有点直接相连，且其余各点间不能直接相连时，就构成了星状结构，其网络结构如图1-8所示。

传统电信接入网中，各个用户最终都要与本地交换机相连，即业务要集中在本地交换机这个特殊点上，因此星状拓扑成了一种最直接的选择。本地交换机成为各用户业务的枢纽点，所以星状拓扑又称为枢纽型拓扑。

星状网有以下优点。

① 控制简单。在星状网中，任一节点都和交换机直接相连，因而便于控制。

② 故障诊断和隔离容易。星状网中，交换机上连接的每条线路都可以单独隔离开来进行故障检测和定位，并且单个节点的故障只影响一台用户设备，不会影响全网。

③ 方便服务。星状网便于交换局对各个站点提供服务和网络重新配置。

星状网结构有如下缺陷。

① 本地线缆长度长、安装工作量大。因为每个节点都要直接通过线缆连接交换机，因此，需要耗费大量线缆，安装、维护的工作量也会随用户数的增加而加大。

② 对交换机可靠性和冗余度要求较高。星状网中，交换机处汇聚了整个网络的业务量，负担很重，且交换机一旦出现故障，全网就会瘫痪，因此，要求交换机有很高的可靠性和冗余度。

例1-2 接入网中的树状结构

树状结构适用于单向广播网络，如传统的有线电视网 CATV 网络就采用了这种拓扑结构，近年来发展迅速的光接入网也常常采用这种结构。树状接入网的结构如图1-8所示。

树状网的优点如下。

① 易于扩展。树状结构可以向下延伸很多分支，这使得网络中容易加入新分支和新节点。

② 故障诊断和隔离较容易。如果某条线路或某个节点或发生故障，只需将这一分支隔离出来，就不会影响整个网络。

③ 较为经济。树状接入网中，用户可以共享一部分线路，经济性较星状网较好。

树状结构的缺点主要在于整个网络对本地交换机的依赖性较大，如果交换机发生故障，则全网都不能工作，因此和星状机构一样，树状结构对交换机的可靠性和冗余度也要求较高。

（3）复合网

复合网又称为辐射汇接网，是以星状网为基础，在通信量较大的地区间构成网状网。复合网吸取了网状网和星状网二者的优点，比较经济合理，且有一定的可靠性，是目前通信网的基本结构形式，如图 1-10 所示。适用于规模较大的局域网和电信骨干网，现在电信网中广泛采用分级的复合型网络结构。

（4）总线网

总线网属于共享传输介质型网络，网络中所有的站点共享一条数据通道，通常用于计算机局域网、工业控制中，如图 1-11 所示。总线型网络安装简单方便，需要铺设的电缆最短，成本低，某个站点的故障一般不会影响整个网络，但介质的故障会导致网络瘫痪，总线网安全性低，监控比较困难，增加新站点也不如星状网容易。

（5）环状网

环状网中所有节点首尾相连，通过通信介质连成一个封闭的环形，如图 1-12 所示。环状网容易安装和监控，但容量有限，网络建成后，难以增加新的站点，目前主要用于光纤接入网、城域网、光传输网等网络中。

（6）蜂窝网

蜂窝网是移动通信网的网络拓扑结构形式，形状为正六边形，连在一起，像蜂窝形状，如图1-13所示。

我们知道计算机系统只有硬件无法使用，还需要安装相应的软件系统才可以使用。那么电信系统只有这些硬件设备也不能很好地完成信息的传递和交换，还需有系统的软件，即一整套的网络技术，才能使由设备所组成的静态网变成一个协调一致、运转良好的动态体系。网络技术包括网的拓扑结构、网内信令、协议和接口及网的技术体制和标准等，是业务网实现电信服务和运行支撑的重要组成部分，类似于人的神经系统。

警示

电信系统的组成不单单包括硬件设备，还应该包括电信网的软件系统，如信令、协议等。

归纳思考

分析不同的网络拓扑结构，列举各种拓扑结构适用的场合。

1.1.2 通信网的分类

重点掌握

• 电信网的分类。

• 电信网的分层结构中不同层之间的关系。

1．通信网的种类

最早的通信网是从电话与电报通信网开始的，发展到现在，通信网包括的范围及内涵不断发生变化，从电话通信网、数据通信网、广电网发展到今天的三网融合。交换方式也随着网络技术的发展而不断更新。主要分类包括：按电信业务的种类分为电话网、电报网、数据通信网，移动通信网、有线电视网等；按传输媒介种类分为架空明线网（已经消失）、电缆通信网、光缆通信网、卫星通信网、用户光纤网、低轨道卫星移动通信网等。

2．通信网络结构模型

电信网从产生以来就是面向公众提供服务的，结合电信业务的特点，为了保证业务质量，人们引入网络的分层结构。现有的通信网络结构模型可以抽象成图 1-14 的形式。从网络分层的观点看，目前网络可分为传输层、路由交换层和业务应用层，从地域上看，通信网可分为骨干网、城域网、接入网和驻地网。

传送层是支持业务网的传送手段和基础设施，由线路设施、传输设施等组成的为传送信息业务提供所需传送承载能力的通道。

路由交换层负责传输各种信息的路由交换，用户提供的诸如电话、电报、图像、数据等信息均是通过交换网络实现信息的交换。具体的交换网络包括电话交换网、移动交换网、智能网、数据通信网等。

业务应用层是表示各种信息应用，如远程教育、会议电视等。

支撑网支撑电信业务网络的正常运行，可以支持上述3个层面的工作，提供保证网络有效正常运行的各控制和管理能力，包括信令网、同步网和电信管理网。

传统电信网络按照长途网、本地网、接入网来划分，目前逐步过渡到骨干网、城域网、接入网和驻地网。

警示

支撑网与它所支撑和管理的电信网是紧密耦合的，但它在概念上又是一个分离的网络，支撑网有可能利用电信网的一部分来实现它的通信能力。

1.2 通信网的发展

1.2.1 通信网的发展历程

通信网络的建设和发展，经历了如下3个阶段。

① 网络适应信号的阶段。传什么信号建什么网，如固定电话网、电报网、数据通信网、移动通信网等。

② 在同一个网络中综合传输各种信号的阶段。也就是综合业务网，如 N-ISDN 网、B-ISDN 网等，用原有的通信网传输电话、数据等业务，可以适应低速的话音、数字和图像的传输。

③ 信号适应网络的阶段。建立统一的、基于 IP 的数字化网络，采用 IP 技术，可以将话音、高速的数字、图像等统一以 IP 的方式传送，其间信号的特征已经不再成为网络发展的障碍。

通信网络的建设和发展，经历了从网络适应信号到信号适应网络的过程，这个过程完全是由于通信网络在技术内涵、指导思想等方面不断革新的结果。

1.2.2 通信网的发展趋势

从水平的视点来看，下一代电信网络将是以数据，特别是 IP 业务为中心的数据传输网络，电话网络则通过电信级网关与网络相连。整个网络可以分为边缘层和核心层。

边缘层面向用户，负责提供各种中低速接口，汇集业务，提供服务，增加效益。

核心层面向边缘层，为边缘层产生的业务流量提供高效可用的信号复用、传送、交换和选路，使网络的结构简单、成本降低、提高效率，但是核心层对于业务是透明的。

核心层的骨干业务接点目前多采用数据交换设备和路由器组成，处于边缘层的各类电信业务网通过各类接入网关接入到核心网。

IP（Internet Protocol）技术广泛采用，目前数据联网的协议主要是IP协议。由于IP业务成为网络的主要业务和应用协议，ATM 和 SDH 的作用将逐步削弱，更高效率的 IP over SDH 将逐步成为网络的主导形式，在核心网络中取代 ATM 交换机甚至路由器（IP over WDM）。

下一代网演化的条件是能够支持基于 ATM/IP 分组网和电路交换网间的无缝连接，保证各自用户的应用/业务的互操作性。

下一代网络也不是单纯的 IP 技术的互联网，因为单一 IP 技术的互联网在安全性、QoS保障、可运营、可管理等方面存在缺陷，因此下一代网应是各种技术结合型的网络。

从通信网络的发展来看，下一代网络是更加简单，组网更加灵活，网络的构架更加方便，可以提供带宽更宽、效率更高、质量更好、更加安全的网络。

1.3 三网融合

1.3.1 三网融合的概念

三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。三网融合并不意味着三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。三网融合应用广泛，遍及智能交通、环境保护、公共安全、平安家居等多个领域。三网融合后，手机可以看电视、上网，电视可以打电话、上网，计算机也可以打电话、看电视。

1.3.2 三网融合的背景和发展

2008 年 1 月 1 日，国务院办公厅转发国家发展和改革委员会、科技部、财政部、信息产业部、税务总局、国家广播电影电视总局六部委《关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知》（国办发[2008]1 号），提出“以有线电视数字化为切入点，加快推广和普及数字电视广播，加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进‘三网融合’，形成较为完整的数字电视产业链，实现数字电视技术研发、产品制造、传输与接入、用户服务相关产业协调发展”。

2009 年 5 月 19 日，国务院批转发国家发展和改革委员会《关于 2009 年深化经济体制改革工作意见》的通知（国发〔2009〕26 号），文件指出：“落实国家相关规定，实现广电和电信企业的双向进入，推动‘三网融合’取得实质性进展（工业和信息化部、国家广播电影电视总局、国家发展和改革委员会、财政部负责）。

从业务政策层面看，三网融合是大势所趋；从下一代通信网的发展趋势来看，下一代网是三网融合的网络。这一点从 ITU-T 对下一代网（NGN）的定义就可以看出，ITU-T 指出：“NGN 表示了实现全球基础信息设施（GII）的关键技术。NGN 被看成是 GII 的“网络联邦”（即用IP能力增强的传统电信、广播和数据网的联合）的一部分。这一概念使人们能够在任何时间、任何地方和以可以接受的价格与质量，安全地使用一组包括所有信息模式和支持开放式多种应用的通信业务。

从业务开展的角度来看，下一代网络是适宜开展多业务（包括话音、数据，特别是高速数据、视频）的平台，适宜网络和不同行业的网络（如电信网络、计算机网络和广播电视网络）融合，甚至是直接完成三网融合的网络。

1.3.3 三网融合的新业务

随着三网融合政策的推进，给新的业务应用的发展开辟了新的空间。三网融合打破了此前广电在内容输送、电信在宽带运营领域各自的垄断，明确了互相进入的准则——在符合条件的情况下，广电企业可经营增值电信业务、比照增值电信业务管理的基础电信业务、基于有线电视网络提供的互联网接入业务等；而国有电信企业在有关部门的监管下，可从事除时政类节目之外的广播电视节目生产制作、互联网视听节目信号传输、转播时政类新闻视听节目服务，IPTV传输服务、手机电视分发服务等。

实做项目及教学情境

实做项目一：参观运营商机房。

目的：认识交换机、传输设备，形成对通信网络的初步认识。

实做项目二：拨打电话分析通信过程

目的：通过拨打电话，体验电话的接续过程。

实做项目三：画出本地宽带城域网的结构。

目的：通过上网学习，查阅资料，结合网络结构模型，画出本地宽带城域网的结构。

实做项目四：体验IPTV点播服务。

目的：体验三网融合后，广电网提供的非广播的、互动服务。

小结

1．电信系统由发信终端（信源）、传输信道、收信终端（信宿）及交换设备组成。以终端设备、交换设备为点，以传输设备为线，点、线相连就构成了一个通信网。

2．电信网的拓扑结构，主要有星状网、网状网、复合网、环状网、总线网和蜂窝网。

3．从网络分层的观点看，目前网络可分为传输层、路由交换层和业务应用层，从地域上看，通信网可分为骨干网、城域网、接入网和驻地网。

思考与练习题

1-1 简述电信系统的组成模型，并说明模型中各部件的功能。

1-2 电信系统三大硬件设备各包括哪些内容？

1-3 举例说明等级结构的通信网络的概念。

1-4 网络拓扑结构有哪些种类？各类的优缺点及适用的网络情况如何？

1-5 简述电信网的分类。

1-6 简述通信网的网络结构模型。

1-7 简述通信网的发展历程。

1-8 简述通信网络的边缘层和核心层的功能划分。

1-9 什么叫三网融合？