通信技术的发展及分类

3.4.1.1　信息及信息系统模型

信息是人类社会和自然界中需要传送、交换、存储和提取的抽象内容。信息存在于一切事物之中，事物的一切变化和运动都伴随着信息的交换和传送。研究信息和信息传送、变换、存储和提取的理论，称为信息论。它是20世纪40年代至20世纪50年代由香农和维纳等人为代表的一大批科学家、工程技术人员创立和发展起来的一门新学科。

消息是表示信息的语言、文字、图像、数据等。

信号为运载消息的光、声、电等物理量。信号是时间或空间的函数，也可能是时间、空间的多元函数，一般记为f（ｔ）、f（x，y，z）及f（x，y，z，ｔ）。

信息系统借助于信号来完成信息的交换、传送、存储和提取。信号是物理量，它的传输、存储和处理必须借助物理设备才能实现。因此，要让信息流动，必须有一条传输路径和携带信息的载体以及使载体载上信息的设备，这些设备的总体称为信息系统。

在信息系统结构模型中，信源是信息或信息系统的起始点，其输出是消息。编码是将消息变成适于传输的信号的变换，完成这一变换的设备称为编码器，其输人是消息，输出是信号。编码有信源编码和信道编码两种。

信源编码也称为有效编码，是将消息变成一种信号，通过去掉原始消息的多余量来提高传输的有效性。信道编码一方面是要把信源编码器输出的信号变成适于在信道中传输的信号，另一方面是要提高信息传输的可靠性，所以信道编码又称为抗扰编码。信道是在信息系统中将信号从一地传输到另一地的媒介，它可以是一对导线、一条同轴电缆，也可以是发射天线等。

信号经过信道从发信端传输到收信端，在收信端必须将信号变成消息，然后从消息获知信息。这种将信号变成消息的变换称为译码，它是编码的逆过程。实现译码的设备称为译码器。译码也分为信道译码和信源译码两种，信道译码是将信道中的信号变成一个和信源编码器输出类似的信号，而信源译码是将信道译码器输出的信号变成消息。信宿又称为终端或接收者，它由消息而获得信息，可以是人也可以是某种设备。根据信息系统的模型，信息系统有两个重要的客体，一个是信息，另一个是信号，因而信息系统也具有两方面的属性，一个是信息属性，另一个是物理属性。

3.4.1.2　通信系统的构成

通信技术是ITS应用中的关键技术，它负责传输数据、语音、图像和视频等信息，许多ITS项目中都需要通信技术。通信技术的基础是通信系统，下面简单介绍通信系统的构成。

最简单的通信系统是人-人的对话。人讲的话称为消息，讲话的人是消息的来源，称为信源。声音通过空气传到对方，大气这一传输途径称为信道，对方听到声音也就接收了消息，消息的接收者称为信宿。

由于电通信能使消息在几乎任意的距离上实现迅速而可靠的传送，因此电通信获得了广泛的应用。飞速发展的光通信也属于电通信这一类，因为光也是一种电磁波。电通信系统是由完成通信任务的各种技术设备和传输媒质构成的总体。电通信系统的一般模型中包括输人变换器、发送设备、信道、接收设备、输出变换器、干扰源等。

输人变换器主要担负将输人消息变换为电信号的任务。当输人为非电量（例如人的声音或待送的景象）时，必须有输人交换器。当输人消息本身就是电信号（例如计算机输出的二进制信号）时，有些情况下可以不需要输人变换器，直接进人发送设备。由输人变换器输出的信号应反映输人消息的全部信息，并常称此信号为基带信号。

发送设备将基带信号变成适于信道传输的信号。不同信道有不同的传输特性，而由于要传送的消息种类很多，它们相应的基带信号的参数各异，往往不适于在信道中直接传输，故需发送设备进行变换。

信道是信号传输的通道，又称传输媒介。不同的信道有不同的传输特性。

接收设备将信道传来的信号进行处理，以恢复与发送端基带信号一致的信号。实际上，信号在收发设备中均会产生失真并附加噪声，在信道中传输时也会混人干扰，所以收发端的基带信号总会有一定的差别。

输出变换器将接收设备输出的电信号变换成原来形式的消息。

干扰源作为一种分析问题的方法，人们将信号在传输过程中混人的噪声及由干扰引起的信号失真集中在一起，作为信道中的干扰源来进行分析处理。

构成电信系统的设备可以分为终端设备、传输设备、交换设备三大类。以终端设备、交换设备为点，以传输设备为线，点线相连就构成了完整的通信网。

3.4.1.3　电信通信

电信通信有很多种分类方法，按传送信号的形式可以分为模拟通信和数字通信。

通信系统中待传输的消息是各式各样的，有话音、文字、符号和图像等。为了传输和交换信息，需要把所传送的消息转换为电信号。通常电信号是以它的某个参量来表示消息的。例如信号电压的大小随话音的强弱而改变，这就是以信号幅度来代表消息。按照信号参量的取值方式及它与消息之间的关系，可将信号分为两类，即模拟信号与数字信号。模拟信号是指代表消息的信号参量（幅度、频率或相位）随着消息连续变化的信号。例如，代表消息的信号参量是幅度，则模拟信号的幅度应随消息而连续变化，即幅度的取值有无限多个，但在时间上可以连续也可以离散。模拟的含义是指用参量来模拟要传送的消息。例如话筒输出的话音信号、电视摄像机输出的图像信号都是模拟信号。

数字信号是指不仅在时间上离散，而且在幅度上也离散（即幅值被限制在有限个数值之内）的信号。

根据通信系统中所传送的是模拟信号还是数字信号，可以把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。应当指出，模拟通信与数字通信是按信道中所传送的信号差异来区分的，不是根据信源输出的信号来划分的。

在通信系统中，若信源发出的是模拟信号，经过发送设备变换成适合在媒质中传输的电信号，这个变换后的电信号仍然是随时间连续变化的，则称这种通信方式为模拟通信。现今大多数电话和电视通信系统都使用这种通信方式。

若信源发出的是模拟信号，把它经过模拟/数字转换（即A/D转换）进行数字化处理后，以数字信号的形式来传送的通信方式叫数字通信。在数字通信系统中可以使用数字传输方式，也可以使用模拟传输方式。在数字通信系统的模型中，信源编码器的作用是把信源发出的连续信号变换为数字序列；信道编码器的作用是将源编码器输出的数字序列人为地按一定的规则加人多余码元，使得在接收端能发现错码或纠正错码，以提高通信的可靠性；信道译码器的作用是发现和纠正传输过程中引人的差错，解除信道编码器所加人的多余码元；调制器（即发送设备）和解调器（即接收设备）只是对用模拟传输方式的数字通信系统才是必需的；信源译码器的作用是把数字信号还原为模拟信号。

在数字通信系统中要研究的基本问题有：①收发两端的消息与电信号之间的互换过程、模拟信号的数字化及数字式基带信号的特性；②抗干扰编码与解码，即差错控制编码问题；③数字调制与解调原理；④保密通信问题：当需要保密通信时，可对基带信号的“0”“1”序列进行人为“搅乱”（即加上密码信号），这称为加密，此时，在接收端需要恢复原来的“0”“1”序列，这称为解密；⑤信道与噪声的特性及其对信号传输的影响；⑥同步问题：数字通信是一个一个码元（一个“0”码或一个“1”码称为一个码元）传送的，接收端接收时总需与发送端节拍相同，这称为“码元同步”或“位同步”。

近年来数字通信的发展十分迅速，在通信领域中所占的比重日益增加。这是因为数字通信与模拟通信相比具有以下优点：

①抗噪声性能好：模拟通信中，待传送的信息包含在信号的波形之中，当波形叠加上噪声之后，无法将噪声去掉。数字通信待传送的信息不是包含在“0”“1”码的码形之中，而是包含在码元的不同组合之中。虽然噪声可以使码元的波形产生失真，但可以对码元进行判决、再生，只要再生后的码元组合不变，就可以恢复原来的信息。因而采用再生的方法，可以消除噪声的积累。此外还可以采用各种差错控制编码的方法，进一步提高抗噪性能。

②信道中传递的信息有话音、图像、文字、符号等。各种信息经过数字化处理以后，便于统一处理，有利于建立综合业务数字网（ISDN）。

③数字信号易于加密，便于实现保密通信。

④数字电路易于集成化，因而设备体积小、功耗低、制造简单、可靠性高。

数字通信的缺点是它所占用的系统带宽比模拟通信要宽。以电话为例，一路模拟电话常占据4kHz的带宽，但一路数字电话要占64kHz的带宽。电视信号一般只要6MHz的带宽，数字电视要100MHz的带宽。

若信源本身发出的就是数字形式的信号（电报、数据、指令等），那么不管用数字传输还是用模拟传输方式来传输，这种通信方式均称为数据通信。数据通信系统的模型和数字通信系统的模型大同小异，只是因为信源本身发出的就是数字信号，因而不需要信源编、译码器。一般来说，数据通信有三个特征：①它是机器（计算机）对机器（终端设备）或机器（计算机）对人的通信；②它传输和处理离散的数字数据，而不是连续的模拟数据；③它的通信速度很高，可以传输和处理大量的数据。

3.4.1.4　有线信道与无线信道

电信系统多利用电磁波传递电信号。电磁波传播有两种形式，一种是沿导体传播，构成有线信道；一种是沿自由空间传播，称为无线电波传播，构成无线信道。

构成有线信道的传输媒质包括架空明线、对称（平衡）电缆、同轴电缆、光缆、波导管等，以适应各种不同的通信方式及不同容量的需要。

架空明线的主要优点是架设比较容易，建设较快，传输衰耗比较小。其主要缺点是随频率升高辐射损耗迅速增加，线对间的串话也急剧增加。此外其受环境影响大，保密性差，维护工作量较大。

对称电缆的通信容量比架空明线大，因而平均到每条电路的投资比明线低，电气性能比较稳定，安全保密性好。目前其主要用于长途12路至60路载波电话通信。此外还有对绞型音频电缆，主要用于市内电话传输。

同轴电缆是将电磁波封闭在同轴管内，即使工作频率较高，同轴电缆之间电磁波的相互干扰也较小，因此适用于高频段、大容量载波电话（电报）通信。

光在高折射率的媒质中具有聚焦特性，把折射率高的媒质做成芯线，折射率低的媒质做成芯线的包层，就构成光纤，光纤集中在一起构成光缆。光纤可以传输光信号。光缆通信从20世纪60年代开始发展。

3.4.1.5　固定通信

1）微波通信

微波是指频率为0.3～300GHz的电磁波。利用特有的设备，并使用这个频段的频率构成的通信方式叫作微波通信。微波通信是一种无线通信方式，无线通信又是依靠电磁波（无线电波）在空间的传播去传递消息的。微波通信是长途、大容量通信的无线传输手段。若基带信号为模拟信号，称其为模拟微波通信。若基带信号为数字信号，称其为数字微波通信。

微波同光波一样，是直线传播的，两个通信地点（两个微波站）之间没有阻挡时，信号才能传到对方，即所谓的视距传播。

在微波的频段使用方面，各国的微波设备往往首先使用4GHz频段。目前各国的通信设备已使用到2GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、11GHz、15GHz、20GHz等各频段。中国的数字微波通信已有2GHz、4GHz、6GHz、7GHz、8GHz、11GHz各频段的设备。频率低，电波传播较稳定，但其设备及元器件的尺寸也较大，当天线口径一定时，微波频率越低，天线增益也越低。对微波频率的选取要遵照CCIR的建议和各国无线电管理委员会的规定，经申请得到批准才行。

就微波通信的性能而论，数字微波通信的特点可概括为“微波、多路、接力”。

微波通信的频率处于微波频段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波频段宽度是长波、中波、短波及特高频几个频段总和的1 000倍。微波频率不受天电干扰、工业干扰及太阳黑子变化的影响，通信的可靠性较高。因微波频率高，所以其天线尺寸较小，往往被做成面式天线，其天线增益较高，方向性很强。

微波通信不但总的频段宽，传输容量大，而且其通信设备的通频带也可以被做得很宽。例如，一个4 000MHz的设备，其通频带按l%估算，可达40MHz。模拟微波的960路电话总频谱约为4MHz带宽。可见，一套微波收发信设备可传输的话路数是相当多的。因数字信号占用带宽较宽，所以数字微波通信设备在选择适当的调制方式后，可传输的话路容量仍然很多。

因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直线传播的，通信距离一般为40～50km，考虑到地球表面的弯曲，在进行长距离通信时，就必须采用接力的传播方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。

2）光纤通信

光纤即光导纤维的简称，光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式。由于光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰等一系列优点，因此光纤通信技术近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的。可以说这种新兴技术是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。

光纤通信与电通信的主要差异有两点：一是其传输的是光波信号，二是传输的介质是光纤。

光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级。根据电磁波谱可知，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0.8～1.8μm。光纤通信的波段可分为短波长波段和长波长波段，短波长波段是指波长为0.85μm，长波长波段是指波长为1.31μm和1.55μm，这是目前光纤通信所采用的三个实用通信窗口。

目前实用的光纤通信系统普遍采用的是数字编码、强度调制-直接检波通信系统。光纤通信系统包括光发射机、光接收机、光中继器、监视控制系统、脉冲复接和分离系统、告警系统和电源系统。光发送机的作用是把从脉冲编码调制（PCM）多路复用设备送来的电信号转变为光信号，送人光纤线路进行传输。光接收机的作用是把从光纤线路传输送来的光信号转变为电信号，送人PCM多路复用设备。

3）卫星通信

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在多个地球站之间进行传输的通信方式。目前，用来转发信号的通信卫星几乎都是静止卫星。

卫星通信的路线为“发端地球站—无线电波的上行路线—卫星转发器—下行路线—收端地球站”。

3.4.1.6　移动通信

移动通信是指通信双方至少有一方是在移动中进行信息交换的。例如，固定点与移动体（汽车、轮船、飞机）之间，或移动体之间以及活动的人与人、人与移动体之间的通信。

1）移动通信的工作方式

按照通信的状态和频率使用的方法移动通信可分为三种工作方式：单工制、半双工制和双工制。

（1）单工制。

单工制又分为单频单工和双频单工。“单频单工”的“单频”是指通信双方使用相同的工作频率，“单工”是指通信双方的操作采用“按-讲”方式，在该方式中，同一部电台的收发信机是交替工作的。双频单工是指通信双方使用两个频率，而操作仍采用“按-讲”方式，同一部电台的收发信机是交替工作的，只是收发各用一个频率。

（2）半双工制。

半双工制是指通信的双方中有一方使用双工方式，即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率，而另一方则采用双频单工方式，即收发信机交替工作。

（3）双工制。

双工制是指通信双方的收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时也能收听到对方的话音。

2）移动通信系统的频段使用

较早的移动通信主要使用甚高频VHF（150MHz）和特高频UHF（450MHz）频段，但中国在VHF频段已有12个电视节目频道，在UHF频段也有36个频道，所以移动通信只能占用它们的间隙来通信。中国邮电部于1984年批准了900MHz蜂窝状移动电话系统，采用了TACS标准。

3）移动通信的体制

移动电话通信的服务区域覆盖方式可分为两类，一类是小容量的大区制，另一类是大容量的小区制。

大区制就是在一个服务区域内只有一个基地站，并由它负责移动通信的联络和控制。在大区制中，为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）都不能重复。

小区制就是把整个服务区域划分为若干个小区，在每个小区分别设置一个基地站，负责该区移动通信的联络和控制。同时，又可在移动业务交换中心的同一控制下，实现小区之间移动用户的转接，以及移动用户与市话用户的联系。

4）移动通信系统的组成

移动通信系统一般由移动台（MS）、基地站（BS）、移动业务交换中心（MSC）以及由市话网（PSTN）相连接的中继线等组成。

基地站和移动台设有收发信机和天馈线等设备。每个基地站都设有一个通信可靠的服务范围，称为无线小区。无线小区的大小主要由发射功率和基地站天线的高度决定。移动业务交换中心主要用来处理信息的交换和整个系统的集中控制管理。

大容量移动电话系统可以由多个基地站构成一个移动通信网。通过基地站、移动业务交换中心，就可以实现在整个服务区内任意两个移动用户之间的通信，也可以通过中继线与市话局连接，实现移动用户和市话用户之间的通信，从而构成一个有线和无线相结合的移动通信系统。

5）其他移动通信系统简介

随着移动通信技术的发展及其应用范围的不断扩大，移动通信系统的类型也越来越多，除了公用移动电话系统外，还有寻呼系统、集群系统、无绳电话系统及卫星移动通信系统等。

（1）寻呼系统。

寻呼系统是一种传送简单信息的单向呼叫系统。它由寻呼控制中心、基站和寻呼接收器（BB机）三部分组成。

简单信息是指可以由数码管显示的号码和字母，用来表示主叫用户的电话号码、姓名和与呼叫内容相关的代码（例如用一组代码表示“立即回电”“迅速回家”等）。代码通常由寻呼控制中心统一编制，用户一看就知道是什么内容。所谓“单向”是指该系统仅为市话用户呼叫BP机提供服务，如欲回话，需另找电话。

当市话用户寻呼BP机时，可通过市话网拨无线寻呼专用业务代码及被呼BP机代码。凡注册登记过的BP机，其代码都被存人控制中心的寄存器中，所以当信号到达控制中心后，首先自动进行核实，确认是否有权使用寻呼系统，然后再对简单信息进行编码，由基站发射机发出。如果该机未登记，则不予发送，并由控制中心给市话用户送一忙音。

（2）集群系统。

集群系统是一种专用调度系统。它由控制中心、基站、调度台、移动台（车载台、手机）组成。这里所说的调度系统是指用来控制一组移动台（如一个车队）工作的无线系统。

集群系统是个多信道系统。其信道数为5个、10个、15个或25个。所谓“专用”，是指这些信道主要在本系统内共用，而它们之中仅有部分信道可以与市话网互通。该系统信道的占用，是采用自动选择方式，并且可供多个单位同时使用，以实现集中管理、共享系统及频率资源，且使公用性和独立性兼而有之。

（3）无绳电话系统。

无绳电话系统是一种由市话网延伸出来的双工系统。它由基站和手机组成。基站和手机均由一部完整的电话机和无线收发信机组成，每部电话机都具有送话器、受话器、拨号盘、电铃或蜂鸣器等主要部件。

当把手机和基站放在一起时，它们的收发信均不工作，只是手机内的电池被基站的直流电源浮充。这时整个无绳电话就相当于一部普通的电话机，可使用基站上的电话机进行拨号和通话。一旦把手机从基站上取下，双方的收信机接通电源，同时自动开始工作，监收对方发出的无线信号，随后将出现两种情况：

一是用户使用手机向外打电话。这时只要按压发射键，手机中的发射机就会自动发出信号，基站收信机在收到该信号后，亦打开发射机，形成手机与基站之间的双向通路，用户就可用手机向外拨号和通话了。

二是有电话打进来。这时基站发射机主动发出信号，子机收到后，双向通路接通，基站的铃和手机的蜂鸣器同时工作，用户可任选一部进行通话。

无绳电话为了防止彼此相互干扰，发射功率很低，一般基站输出功率小于1W，手机输出功率小于0.5W，所以其服务范围有限，通常在室外开阔地约为200m，楼群间约为100m，楼内约为50m。

（4）卫星移动通信系统。

蜂窝移动电话系统虽然在理论上可以覆盖无限大的地理区域，但在人烟稀少的地区，每隔十几千米就建一个基地站太不经济了。因此，人们不得不依靠卫星来为这些地方提供服务，即在人口稠密的地区，仍靠基地站传送信息，在人烟稀少的地区，则用卫星转接。

全球这些卫星分布在7个低空轨道上，每个轨道上分布11颗卫星，与地面站、用户终端构成卫星移动通信系统，该系统可在全世界范围内供数百万户使用。由于卫星使用宽波束天线，故只要少数几个波束就可覆盖很大面积。车载和卫星之间仍使用900MHz频段，卫星和地面站之间使用12GHz频段。

3.4.1.7　公用数据通信网

公用数据通信网分为基础网络、信息网络和增值网络平台。其中基础网络包括公用数字数据网（DDN）、公用分组交换网（PAC）、公用帧中继宽带业务网（FRN）和综合业务数字网（ISDN）；信息网络包括计算机互联网（NET）和公众多媒体通信网，它们可以提供丰富的网上信息资源和各种信息服务；增值网络平台能提供电子信箱（MAIL）、传真存储转发（FAX）和电子数据交换（EDI）等多种功能。

1）公用数字数据网

公用数字数据网简称数字数据网（Digital Data Network，DDN），是利用数字信道传输数据信号的数据传输网。DDN将数字通信技术、计算机技术、光纤通信技术以及数字交叉连接技术有机地结合在一起，提供了高速度、高质量的通信环境。DDN向用户提供的是半永久性的数字连接，沿途不进行复杂的软件处理，因此时延小；DDN采用交叉连接装置，可根据用户的需要，在约定的时间内接通所需带宽的线路，信道容量的分配和接续在计算机的控制下进行，具有极大的灵活性，使用户可以开通种类繁多的信息业务，传输任何合适的信息。

（1）特点。

DDN的特点有：①属于数字电路，传输质量高，时延小，通信速率可根据需要选择。②电路可以自动迂回，可靠性高。③一线可以多用，既可通话、传真、传送数据，还可组建会议电视系统，开放帧中继业务，进行多媒体服务，或组建自己的网络。

DDN的优点有：①DDN是同步数据传输网，不具备交换功能，但可根据与用户所订协议，定时接通所需路由。②传输速率高，网络时延小。由于DDN采用了同步转移模式的数字时分复用技术，用户数据信息根据事先约定的协议，在固定的时隙以预先设定的通道带宽和速率顺序传输，这样只需按时隙识别通道就可以准确地将数据信息送到目的终端。由于信息是顺序到达目的终端，免去了目的终端对信息的重组，因此减小了时延。③DDN为全透明网。DDN是任何规程都可以支持，不受约束的全透明网，可支持网络层以及其上的任何协议，从而可满足数据、图像、声音等多种业务的需要。

（2）提供的主要业务。

①租用专线业务，包括点对点专线、一点对多点轮询、广播、多点会议。DDN的多点业务适合集团系统用户组建总部与分支机构的业务网。利用多点会议功能可以组建会议电视系统。②帧中继业务用户以一条专线接人DDN，可以同时与多个点建立帧中继电路（PVC）。帧中继业务适合局域网间互连。③话音/传真业务为用户提供带信令的模拟接口，用户可以直接通话，或接到自己内部小交换机（PBX）进行电话通信，也可用于传真（三类传真）。模拟话音/传真业务占用的信道速率为8kbps、16kbps、32kbps。④虚拟专网功能。

2）公用分组交换网

公用分组交换网PAC以X.25规程为基础，故称为X.25网。分组交换是为适应计算机通信而发展起来的一种先进的通信手段，它以CCITT X.25协议为基础，可以满足不同速率、不同型号的终端与终端、终端与计算机、计算机与计算机间以及局域网间的通信，实现数据库资源共享。X.25通常执行OSI的下三层协议，且从源点到终点的每一步都要进行数据帧的建立、拆装、数据存储和转发、路由选择和控制、信息帧的差错校验、恢复重发等一系列处理过程。

（1）特点。

①传输质量高。分组交换方式具有差错控制功能，它不仅在节点交换机之间传输时采取差错校验与重发的功能，而且对于分组型终端，在用户线部分也可以进行同样的差错控制，因而使分组在网内传送中的出错率大大降低。②可靠性高。在分组交换中，一次呼叫的通信电路不是固定不变的，报文中的每个分组可以自由选择传输途径。由于分组交换机至少与另外两个交换机相连，当网内发生故障时，分组仍然能自动选择一条避开故障地点的迂回路由传输，不会造成通信中断。③实现不同种类的终端互通。分组交换网在交换机内采用的是“存储-转发”的形式在网内传输，以X.25规程向用户提供统一的接口，从而能够实现不同速率、码型和传输控制规程终端间的互通，同时也为异种机互通提供了方便。④分组网具有交换功能，提供多路通信。由于每个分组中都含有接受路由等控制信息，节点交换机中的软件自动识别这些控制信息，按接收路由把分组送到相应端口，也即分组网具有交换功能，用户只有一条通信线路可以和多个用户终端进行通信。⑤通信费用低。在网内传输、交换的是一个个被规范化了的分组，这样可简化交换处理过程，降低网内设备的费用。此外，由于进行分组多路通信可大大提高通信电路的利用率，并且在中继线上以高速传输信息，而且只有在有用户信息的情况下使用中继线，因而降低了通信电路的使用费用。

公用分组交换网（PAC）的优点有：①可以在一条电路上同时开放多条虚电路，为多个用户同时使用。②网络具有动态路由功能和先进的误码纠错功能。

（2）提供的主要业务。

①基本业务交换型虚电路（SVC）：用户通信时，通过呼叫建立虚电路，通信结束后释放虚电路，电路使用灵活，每次均可以与不同的用户建立通信电路，通信费用与通信量有关。永久型虚电路（PVC）：类似于固定专线，由用户申请提出，电信部门固定做好，用户一开机即固定建立起电路，不需每次通信时临时建立和释放，适用于点对点固定连接的用户使用。

②可选业务用户任选业务功能。如果使用这些业务功能，用户应在申请人网时提出并交纳一定的费用，在租约期内使用（不需每次通信时约定）。这些业务一共有34项。每次通信时用户可选业务功能。用户并非在每次通信中都使用所申请的任选业务功能，如果使用则应在开始呼叫时在呼叫分组（或信号）中向交换机发出指示。

③其他业务包括优先级分组、多网络地址、检查本地地址、计费转移、助记名编址、虚拟专用网（VPN）、分组多址广播。

3）公用帧中继宽带业务网

帧中继（Frame Relay）是从分组交换（X.25）技术发展起来的一种快速分组交换技术，在用户-网络接口（UNI）之间提供给用户信息流的双向传送，并保持原有顺序不变，用户信息流以帧为单位在网络内传送，用户-网络接口之间以虚电路进行连接，对用户信息进行统计复用。它采用虚电路技术，对分组交换技术进行简化，具有吞吐量大、时延小、适合突发性业务等特点，能充分利用网络资源。它以帧（Frame）为单位传输，其长度是可变的，允许的最大帧为4096字节，而且帧长度可根据需要动态调整。帧中继能支持现有的公用分组交换网，实现了向高速分组交换技术的平稳过渡。与X.25相比，帧中继位于OSI参考模型的第二层，即数据链路层，它用简化方式传送和交换数据帧，把路由功能从第三层（网络层）移到第二层（链路层），舍弃了X.25的流量控制和差错控制等处理，从而加速了数据帧的传输速度，提高了网络的传输效率。

（1）特点。

①高效性。帧中继使用统计复用技术（即带宽按需分配）向用户提供共享的网络资源，每一条线路和网络端口都可由多个终点按信息流量共享，提高了网络资源的利用率。同时，由于帧中继简化了节点机之间的协议处理，将更多的带宽留给用户数据，因而能向用户提供高吞吐量、低时延的数据电路，用户不仅可使用预定带宽，还可在有空余带宽时使用超过预定值的带宽，而只需付预定带宽的费用，这适合突发数据业务。

②经济性。用户人网时，需要与网络约定用户信息速率（CIR）。在正常情况下，网络向用户保证这个约定的用户信息速率，由于帧中继采用虚电路复用，当其他用户不占用带宽时，该用户可以超过约定速率发送数据且只支付约定带宽的费用，而不必对多用的带宽付费。因此，对用户来说，使用帧中继业务可谓“物超所值”；对网络来说，这可以吸引更多的用户人网，提高整个网络的效率。

③可靠性。高质量的传输线路、高智能的用户终端，以及网络本身的阻塞管理和永久虚电路（PVC）管理等都保证了帧中继网络的可靠性。

④灵活性。对用户来说，帧中继网络接人简便灵活；对网络来说，帧中继网络的组网方式灵活并提供各种灵活业务。

⑤长远性。帧中继技术不仅在目前是较好的网络技术，将来ATM成为主要网络技术后，帧中继仍能与ATM相辅相成，成为以ATM为交换技术的骨干网的用户接人层。

（2）提供的主要业务。

①局域网互连。利用帧中继网络进行局域网互连是帧中继业务中最典型的一种。帧中继网络在网络空闲时，允许用户以超过自己申请的速率进行数据传送，这对于经常传递大量突发性数据的局域网用户，其费用非常经济合理。

②多媒体信息传送。帧中继网络可以提供图像图表的传送业务。

③虚拟专用网（VPN）。虚拟专用网对集团用户十分有利，采用虚拟专用网所需的费用比组建一个实际的专用网低。

4）综合业务数字网

综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）是以综合数字电话网（Integrated Digital Network，IDN）为基础发展演变而成的，通信网能够提供端到端的数字连接，用来支持包括话音和非话音在内的多种电信业务，用户能够通过有限的一组标准多用途用户/网络接口接人网内。ISDN分为窄带ISDN和宽带ISDN两种。其特点如下：

①速度快。一条ISDN线的最低速率是64kB/s，最高为128kB/s。②安全可靠。ISDN的数字传输比模拟传输相比受到的干扰更小，可以有效减少噪音和串音，并使数据通信更加安全可靠。③业务综合能力强。ISDN可传送多种不同信息（语音、数据、图像、视频等）。④ISDN可以同时执行多个通信任务，一条ISDN线最多可连接8个终端，目前可有两个终端同时工作，互不干扰。⑤ISDN是普通电话网的一部分。使用ISDN的用户既可以与ISDN用户通信，也可以与模拟用户通信。⑥允许使用现有的模拟设备。普通电话、传真机、计算机等现有的模拟设备只需配备一部ISDN终端适配器，将现有的设备连接到终端适配器上，就可以在ISDN网上使用。

根据以上分析，DDN的主要特点是采用同步时分复用方式，为用户提供永久或半永久的数字专线连接，网络为用户提供无规则的专线连接，“透明”地传送用户数据信息，网络的端到端传送时延低。因此DDN适合于业务量持续稳定和实时性要求高的用户。

分组网的特点是采用统计复用技术，用户共享网络宽带资源，网络资源的利用率较高，通信成本及业务资费较低。分组网具有一套严密的检错纠错、流量控制协议，在通信网络基础较差、传输线路比特差错率较高的情况下，采用X.25协议可以有效地保证用户信息的可靠传送。这也增加了网络开销，限制了传输速率，且使传送时延变长。分组网适合于在线路质量较差的环境下，为接人速率较低（64b/s以下）的数据（不传送语音、图像）和有少量突发性数据的终端用户提供业务。

3.4.1.8　公共移动通信网

公共移动通信网普遍采用蜂窝拓扑，这是基于提高频谱利用率和减少相互干扰，增加系统容量的考虑。公共移动通信网分为模拟蜂窝网和数字蜂窝网。

数字移动通信网有两种体制，一种是时分制的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM），一种是码分制的CDMA系统。两者都是蜂窝结构，并采用了数字无线传输和蜂窝之间的先进切换方法。因此，它们获得了比模拟蜂窝系统好得多的频谱利用率，也提高了系统容量。下面介绍GSM数字蜂窝移动通信网。

欧洲开发的CME20型全球数字移动通信系统由GSM定义的全部网络单元构成。其中包括交换中心（SS）、位置登记器（LR）、基地收发信机站（BTS）、基站控制器（BSC）以及用于集中操作和维护的设备（OMC）及移动台（MS）等。系统中的网络单元由标准化接口相连。移动台（MS）和基地收发信机站（BTS）之间的无线电接口，采用特高频（UHF）频段上的时分多址（TDMA）方式。所有信息都是数字的，也就是说，话音信号以二进制码的形式在无线信道上进行传输。因此，GSM是一种数字无线系统。

1）GSM的主要特性

（1）频段。

①上行（移动台到基站）频段：890～915MHz；②下行（基站到移动台）频段：935～960MHz。上述频段被分成124对载频，间隔为200kHz。在每个蜂窝区，根据预测的业务分配一些载频。蜂窝区可以是全向区，或120°定向三向区。为了防止多径衰落和减少来自其他信号的干扰，采用快速跳频（呼叫过程中快速改变载频）。移动台的跳速为217跳/s，即每一TDMA帧一跳，每跳周期为4.61ms。

（2）多址方式。

移动台用户和基地收发信基站间采用无线时分多址（TDMA）接口。每个可用载频能运载8个独立的物理GSM信道。这些信道的数据，按时间顺序发送或接收。物理GSM信道中的数据在分配的时隙内突发传送。传送速率为271kB/s。一个突发串含有有用的话音和信令、均衡器训练、同步等比特。TDMA帧中的物理信道传送基站和移动台之间的各种信息。这些不同类型的信息被视为属于不同的逻辑信道。逻辑信道与物理信道是相对应的。根据映射方法，逻辑信道的数据速率为几百bit/s到22.8kB/s。

逻辑信道分成业务信道和控制信道两种主要类型。业务信道（TCH）携带话音编码信息（用户数据），一个业务信道可以是全速率的（总速率为22.8kB/s），也可以是半速率的（总速率为11.4kB/s）。控制信道（CCH）携带信令和同步数据，并分成广播信道、公共控制信道和专用控制信道。广播信道由基地台发送，携带无线同步信息和系统信息，如移动台所需的基站身份码等。公共控制信道用于寻呼移动台和移动台人网。专用控制信道由独立专用控制信道、慢速联用控制信道、快速联用控制信道组成，在呼叫建立阶段，用于传送信令和在通话中的一些特定信息，例如来自移动台的测量报告信令和切换信令等。

（3）调制方式。

其调制方式为高斯最小移频键控（GMSＫ），其带宽时间积（BT）为0.3，总数据速率为271kB/s。

（4）功率。

基站收发信机和移动台都实行自动功率控制，基站能覆盖单个或多个蜂窝。移动台的峰值功率从0.8W（手持台）到20W（车载台）。对全速信道，平均功率是上述值的1/8。为了防止干扰其他用户，实行档差为2dB的15个分档功率控制。另外，在每个时隙的开始和结束时刻，控制发射机电平的升降。

（5）基带信号的形成。

为了能最大限度地检测，并纠正在一个典型传播路径上遇到的错误，人们对在无线电接口上传送的信息实行了复杂的编码。话音用PCM信道编码、交织、加密，以形成良好的保密及前向纠错能力，确保传输的基带信号质量。开始，只提供全速率编码，基本工作速率为13kB/s，加上前向纠错编码后，总速率变成22.8kB/s。为了最大限度地降低辐射功率和最有效地使用可用频率，以及延长电池寿命，采用了复杂的间断发射（DTX）方式。另外，接收端采用高质量的维特比均衡，以处理经反射形成的时延信号对源信号比特波形的干扰（时间弥散）。

蜂窝用户能在整个GSM服务区内进行通话，并能在GSM系统覆盖的所有国家之间及其内部进行全自动漫游。GSM网络提供高速数据通信、传真和短报业务（点对点或用户对用户的字符寻呼）等用户业务。GSM网络考虑了与其他标准（如ISDN）的一致性、兼容性（适合移动环境条件下）问题。GSM网络的标准化接口能为各类网络的互连提供条件，其中包括GSM和ISDN的互联。

2）GSM系统的组成

GSM系统功能实体由交换系统（SS）、基站系统（BSS）、操作和支持系统（OSS）三部分组成，如图3-8所示。

图3-8　GSM的功能实体

3）GSM网络结构

一个GSM网络的基本设施与所有其他蜂窝无线网络相似。蜂窝群覆盖整个移动网络服务区。每个蜂窝具有一个基站收发信机（BTS），它工作在特定的无线电信道上，相邻蜂窝使用的信道是各不相同的。一个基站控制器（BSC）控制一组基站，完成诸如切换、发射功率控制等功能。在更高一层，一个或多个基站控制器由一个移动业务交换中心（MSC）负责，MSC为移动用户和各种网络（如PSIN、ISDN等）的固定用户的呼叫提供路由选择。MSC中还有4种重要的数据库，它们是存储用户信息的母局位置登记器（HLR）和来访者位置登记器（VLR）、提供鉴别呼叫时所需参数的鉴别中心（AUC）和存储所用移动台有关信息的设备身份号登记器（EIR）。GSM的网络结构如图3-9所示。

GSM网络是为车载以及手持移动台设计的。用户不管在整个GSM服务区域的什么位置，都能接收和发出呼叫（自动漫游）。

一个用户通话期间，在相邻蜂窝间移动时，呼叫被自动地交换到新区（切换），而不管新旧蜂窝是否由同一个BSC或MSC服务。

图3-9　GSM的网络结构

3.4.1.9　广播

1）广播副载波

广播副载波可由广播台或固定设施向车辆提供话音或数据通信，而不需另外配给信道。多路复用副载波技术首先于20世纪30年代阿姆斯特朗发明调频广播（FM）时引人。称之为副载波正是意味其并不是广播台所产生的主信号载波，而是在配给特定台的边带频率上与主信号一起发射的无线信号（话音或数据）广播，因为主信号并未占据全部配给的频谱宽度。虽然这一技术是和FM同时开发的，但副载波信号也可以用幅度调制（AM），和电视信号一起广播。在初期，任何这样的信号传输均需要附属通信授权（SCA），尽管SCA已于1983年逐步结束，人们还是称这些信号为SCA。习惯上，副载波已被用于各种辅助服务，如背景音乐、天气预报、体育活动、股票咨询、外语声带、特定时间信号，或者其他有关商务、专业、教育或宗教事务等的信息。收听这些信号需要用特殊的接收机。最近，副载波已非常流行于广播交通信息。

广播技术有单声道广播和立体声广播两类。单声道广播只传输一路声音信号，只要一个扬声器即可复原这类信号；而立体声广播则是两路声音信号经合成并通过单一频道传输，立体声接收机又能分离这两路信号经两个扬声器复原为原始信号。单声道接收机也可接收和复原立体声信号，但将损失空间分布效果。

如前所提及，既然所有的广播台（AM、FM及TV）都有能力发送副载波，它们就均可为广播交通信息提供有效的解决方案。副载波可以在同一频道上同时发送声音和数据，用这样一种方式就使备有常规接收机的听众收听不到数据副载波上的数字传输，要存取频道的数据部分就需要特殊的接收机。AM副载波广播由于相对低的速度（10～12.5B/s）而很少被使用，但较高数据率（达到每秒几百bit）是可能的。可注意到，在欧洲和亚洲分配给每一AM频道的频率仅为主载波附近±9kHz，而在美国则为±10kHz（共计20kHz）。

2）无线数据系统

无线数据系统（RDS）首先由欧洲广播联盟（EBU）和各个欧洲广播公司，尤其是瑞典的TeleComRadio（STR）和BBC所定义。这一系统的开发已受到国际无线电联合会（CCIR）推荐书643的促进（RDS于1987年首次用于车辆无线通信），继之欧洲电子技术标准化组织（CENELEC）制定了RDS接收机的标准。RDS的主要用途是通过数据标记来识别广播至RDS接收机的数据段以利自动转换。RDS使用无声的数据调制副载波，与常规FM广播发射机的立体声多路信号加合起来。自1976年起，RDS的开发工作是由EBU领导下的一个技术专家工作组协调进行的。该技术规范于1983年得到所有EBU成员的一致同意，于1984年作为EBU技术文档3244号发表。下列各点为所制定的高级要求：①RDS信号必须向下兼容，它们应该不致引起对现有接收机接收主要节目声音信号的干扰，或者与使用驾驶信息与路线引导（API）系统（辅助转向和紧急报警）的接收机相干扰；②数据信号应该能遍及覆盖区域而被可靠接收，至少应不亚于主要节目的强度；③由频道提供的可用数据率应该支持广播台的基本需求和节目识别，并为未来的发展提供充分余地；④消息格式必须灵活以允许消息内容调整后满足任何时间的个别广播需要；⑤系统应当能为低价接收机可靠接收。

根据EBU的RDS规范，广播机构可以选择频移在1～7.5kHz之间的副载波，对大部分环境推荐用2kHz的频移。57kHz副载波是被广泛选用的一段，因为它是19kHz导频音的谐波。这一副载波要受到抑制，还要通过整形与双相位编码数据信号进行幅度调制。RDS信号是从1 187.5B/s数据率的双相位编码信号进行传输的。连同规定的100%余弦滤波，其可为数据信号提供约4.8kHz的总带宽。该信号包含16路可能的数据组。如同大多数串行数据传输系统，RDS将每一数据组分块：最长的组（104bit）分为4个块，每一块包含l6bit数据字和以缩短的循环码形式建立起来的l0bit校验字，该校验字用于突发差错校证。10bit校验字由各种偏移字修正而形成自同步编码。在帧接收侧，解码器就利用这一自同步编码来识别接收数据的开始和结尾。换言之，在突发差错校正编码中的校验字是用来指明正确的块同步和寻址每一块的内容。这一编码使得解码器在一个块周期内可靠地获得同步。解码器利用组成每一组的4个块中所包含的不同偏移字获得块和流的同步。组的类型埋置在每一组中第2块的前4位中，第5位表明RDS的版本号，不是A型（0值）就是B型（1值）。

固定的或可变的RDS组的混合都是可预发送的（以任何次序），组的格式可以每分钟进行一次调整以适应一天内不同时间的要求。这种固定与可变格式混合的目的在于提供对调谐数据的快速访问；同时，也要对任意给定时间调谐内个别广播的不同应用需要保持配给容量的灵活性。如果要求的容量可行，新的组型就可置人传输的数据流中而不致影响现有RDS接收机的运行。

虽然交通信息很受欧洲驾驶者的欢迎，但有迹象表明，过多的消息会使其满意程度降低，并且给广播造成困难。这种服务已悄然转向用组型为8A的FM发射了，尽管它还未被广泛采用。其他信息，包括紧急事故、气象以及无线节目等，都可用图文形式显示出来。在努力使交通信息频道的服务标准化的进程中，欧洲国家已力图更完善地规定RDS-TMC服务并指导其实现。

3）无线广播数据系统

无线广播数据系统（Radio Broadcast Data System，RBDS）是RDS的产物，已由电子工业联合会和全国广播联合会发起而由美国全国无线电系统委员会开发。在标准的开发中，人们进行了保持RBDS标准与RDS相兼容的尝试，然而，由于美国广播业的不同结构，不得不作了若干修改。RBDS原来是包括AM和FM的，而欧洲方案则仅包括FM广播。尽管RBDS是RDS的修改型，但它完全包含了RDS。因此，在前面所阐述的运行原理和数据组，对于RBDS均同样有效。

RBDS与RDS之间仅有很小的差别：RBDS包含了对多路RDS以及由Cue Paging开发并稍作修改的MBS的选择；它还包含选用接收机内数据库允许但末实现RDS的AM和FM台所具有的某一类RDS功能。RDS还具有增添尚待确定的AM数据系统的选择。此外，一些新的思路，诸如组型3A将保留用于差分GPS（DGPS），组型5的0和1信道将保留用于接收机内数据库系统的更新，信道2将保留为SCA切换。DGPS伪距校正数据由参考台用无线技术委员会海运服务特别委员会104（RTCMSC-104）工业标准发送。

只要用户使用RDS/RBDS无线接收机，那么按一个按键，RDS/RBDS技术就能提供交通、紧急情况和气象广播服务（这是新闻和娱乐节目之外的服务）。这就说明为什么在欧洲这种广播副载波技术会这么普及，以及现今在日本它可用于动态导航系统（VICS）。

3.4.1.10　短距离信标

短距离信标是一种支持车-路通信的方法。信标提供短程通信并可在有限的频谱上以高速转发数据。根据设计，信标可用于周期性广播、双向广播和接收，或者双向点对点通信。除了车辆定位和导航，信标也可用于许多其他应用，例如电子（自动）收费、车辆自动识别、商业车辆运营、交通管理和车-车通信等。

短距离信标可以采用微波信标和红外信标。在欧洲和日本，微波信标运行于2.5GHz和5.8GHz频段，红外信标则采用850nm和950nm红外光。欧洲邮政和电信会议（CEPT）将63GHz频段分配给车-车通信。在美国，尽管产品多用915MHz频段，但是，PHWA正在向FCC提出申请以便将5.8GHz频段分配给ITS应用。

车路信标类型有定位信标、信息信标、通信信标三种。定位信标发送信号以确定其位置、地图坐标、路段取向以及信标数目；信息信标既发送定位信号又通过电缆中继当前路况和交通信息；单独的通信信标是用来和车辆进行双向通信的。这些信标均可用来收集交通数据和引导车辆。

当一辆适当配置的车辆经过通信信标时，就可以通过信标向中心主机发送测得的行程时间和经历信号灯的等待时间。同时，它可从信标接收到返回的相关定位和引导信息，如图3-10所示。如EURO-SCOUT系统中的每一红外信标点由一个信标控制器和多至16个的信标头组成，这些信标头可安装在道路设施上，诸如路标、交通灯和柱杆上。根据应用情况，信标控制器和信标头也可以安装于每一交叉路口和间隔为4个的交通灯处等。

图3-10　车-路信标系统示意

图3-11给出了需要的红外信标头数与传输数据率以及行车速度之间的关系。这些结果是基于传输数据率为500kB/s（下行链路）和125kB/s（上行链路），比特误码率为10-7而得出的。一个有趣的实验是，覆盖区的增大与n的平方根成正比，n为信标头数目。

图3-11　红外信标头数与传输数据率以及行车速度之间的关系

信标系统典型地采用专用短距离通信协议（DSRC）。执行DSRC标准的主要机构是欧洲标准化委员会（CEN）和国际标准化组织（ISO）以及美国测试与材料学会（ASTM）。尽管国际信标系统之间的相容性仍受限制，但大都认为国际标准必须支持多重应用，要为进一步发展留有余地；要确保其保密性与安全性，且与通信媒体如微波、红外光无关。

以欧洲提出的异步协议和北美应用的同步协议为例。异步协议是建立在半双工TDMA方法的基础上的。每一信标周期性地在下行链路和上行链路上广播灵活的消息序列。下行链路包含信标服务表（BST）和其他数据，而上行链路则包含发送给车辆的公用和专用消息窗。按照异步协议，当车辆进人信标覆盖区后就能接收到BST，其中包含一张提供的服务列表和运行参数。公用消息窗总是出现在BST之后，车辆通过该窗口与信标通信。一旦车辆的ID公用消息窗发送至信标，就会预留一批专用消息窗为该车进一步交换数据之用。如果信标或车辆ID发送失败，信标就会在失败窗口结束后重新发送下行连接窗口，并提供上行连接窗口。如果在顺序的一个步骤中未遇传输，信标会假定车辆单元遇到了技术上的麻烦，或者已经离开了覆盖地带。于是信标将回复至初始状态，准备再次发送BST。

同步协议为一基于TDMA的固定帧结构，由控制时隙、公共时隙和数据时隙组成的。详细信息可参见由美国测试与材料学会开发的描述类似协议的草案。

一种比较陈旧的技术也可用来提供车辆对路边的通信，即感应环探测器（或称类信标）。感应环探测器是一种磁感应传感器，将其埋置于路面可以检测交通流量和车辆在该点占用的时间或与车辆通信。数个感应环被放置成矩形或圆形（较新型环），每一车道放置一环。通常将与感应环相关的电子设备安装于控制柜中，并与其他交叉路口控制设备放在一起。最近在交通流量检测上的进步提高了标准感应环的输出精度，其对通过车辆的计数误差仅为万分之一。

与蜂窝系统和RDS/RBDS相比较，信标通信可提供高传输率、有效的位置标定、面向定位的交通信息并且它能在特殊道路上或特定车道内精确探测和测量车辆参数。其不足之处是通信区的有限区间是间断的，而且系统安装和维护费用高。