《网络通信原理》课件

网络通信原理欢迎大家来到《网络通信原理》的课堂！本课程旨在系统地介绍网络通信的基本概念、原理、技术及其发展趋势通过本课程的学习，大家将能够深入了解网络通信的底层机制，掌握各种通信技术的核心原理，为未来的学习和工作打下坚实的基础让我们一起探索网络通信的奥秘，共同迎接信息时代的挑战！课程导入课程目标课程内容学习方法了解网络通信的基本原理和概念；掌握通信基本概念、通信系统组成、通信信课堂讲解与讨论；实验操作与实践；案各种通信技术的核心内容；培养分析和号特性、数字信号基础、信道特性与分例分析与研究；课后复习与预习；小组解决网络通信问题的能力；关注网络通类、编码与调制技术、多路复用技术、合作与交流信技术的发展趋势网络协议、网络安全、未来通信技术等通信的基本概念信源产生和发送信息的实体，如人、计算机等信源可以是模拟的，也可以是数字的信道信息传输的通道，如电缆、光纤、无线信道等信道会受到噪声和干扰的影响信宿接收信息的实体，如人、计算机等信宿接收到的信息可能与信源发送的信息有所不同信息通信过程中传输的内容，如语音、图像、数据等信息是通信的根本目的通信系统的组成发送端信道接收端包括信源、编码器、调信息传输的物理通道，包括解调器、解码器、制器等，负责将信息转如电缆、光纤、无线信信宿等，负责将接收到换成适合在信道中传输道等信道会引入噪声的信号还原成原始信息的信号和干扰通信信号的特性幅度频率信号的强度，表示信号的能量大小幅度越大，信号的能量越高信号变化的速率，表示信号的快慢频率越高，信号变化越快相位带宽信号的起始角度，表示信号的初始状态相位可以影响信号的叠信号所占用的频率范围，表示信号的频谱宽度带宽越大，信号加效果可以传输的信息量越大数字信号的基础二进制1数字信号采用二进制表示，只有0和1两种状态二进制易于实现和处理，抗干扰能力强比特率2单位时间内传输的比特数，表示数字信号的传输速率比特率越高，传输速度越快采样3将模拟信号转换成数字信号的过程，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理量化4将采样值转换成离散的数字值的过程，量化位数越多，精度越高噪声在通信中的影响噪声的来源信噪比降低噪声的方法热噪声、人为噪声、宇宙噪声等噪声信号功率与噪声功率的比值，表示信号采用低噪声放大器、滤波、编码等技术会干扰信号的传输，降低通信质量的抗干扰能力信噪比越高，抗干扰能降低噪声可以提高通信质量力越强信道的特性与分类有线信道无线信道12如电缆、光纤等，传输稳定，如无线电波、微波等，移动性带宽大，但成本较高，移动性好，但易受干扰，带宽有限差信道容量3信道能够传输的最大信息速率，受带宽和信噪比的限制香农公式描述了信道容量与带宽和信噪比的关系编码与调制技术编码将信息转换成适合在信道中传输的信号形式，如信源编码、信道编码等编码可以提高传输效率和可靠性调制将基带信号转换成适合在信道中传输的射频信号，如调幅、调频、调相等调制可以提高传输距离和抗干扰能力解调将接收到的射频信号还原成基带信号解调是调制的逆过程解码将接收到的编码信号还原成原始信息解码是编码的逆过程数字调制方式ASK FSK幅度键控，通过改变载波的幅度来表示数字信号简单易实现，频率键控，通过改变载波的频率来表示数字信号抗干扰能力较但抗干扰能力差强，但带宽利用率低PSK QAM相位键控，通过改变载波的相位来表示数字信号抗干扰能力强正交幅度调制，同时改变载波的幅度和相位来表示数字信号带，带宽利用率高宽利用率高，但实现复杂信道编码技术检错码2具有检测错误能力的编码，如奇偶校验码、CRC校验码等可以发现传输过程纠错码中的错误1具有纠正错误能力的编码，如汉明码、循环码、卷积码等可以提高通信的可靠性交织编码将数据重新排列，使突发错误分散化3可以提高抗突发错误的能力多路复用技术频分复用时分复用码分复用将信道分成多个频率段将信道分成多个时间段每个用户分配一个唯一，每个用户占用一个频，每个用户占用一个时的码字，所有用户同时率段适用于用户数量间段适用于用户数量在同一频率上传输信号较少，带宽需求不高的较多，带宽需求不均衡抗干扰能力强，保密场景的场景性好信号传输介质双绞线同轴电缆光纤由两根相互绞合的绝缘导线组成，用于由内导体、绝缘层、外导体和护套组成由玻璃或塑料制成，利用光的全反射原传输模拟信号和数字信号成本低廉，，用于传输模拟信号和数字信号传输理传输信号传输距离远，带宽大，抗但传输距离和带宽有限距离和带宽比双绞线高，但成本较高干扰能力强，但成本最高光纤通信原理全反射1光从光密介质射向光疏介质时，入射角大于临界角，光线全部反射回光密介质光纤结构2纤芯和包层，纤芯的折射率大于包层，使光在纤芯中传输单模光纤3只能传输一种模式的光，损耗小，带宽大，适用于长距离传输多模光纤4可以传输多种模式的光，损耗大，带宽小，适用于短距离传输光纤通信系统光发射机光纤光接收机将电信号转换成光信号传输光信号的介质，分将光信号转换成电信号，采用激光器或发光二为单模光纤和多模光纤，采用光电二极管作为极管作为光源光探测器无线通信基础电磁波无线通信利用电磁波作为传输媒介电磁波具有频率、波长、传播速度等特性频率范围无线电波的频率范围很广，不同的频率范围有不同的应用如低频用于广播，高频用于移动通信调制解调将基带信号调制到射频信号上进行传输，接收端再进行解调，还原成基带信号信息的传播与接收发射天线传播路径将发射机的信号转换成电磁波辐电磁波在空间中传播，会受到反射出去天线的性能影响信号的射、折射、散射等影响传播路覆盖范围和传输效率径影响信号的强度和质量接收天线将接收到的电磁波转换成电信号天线的性能影响接收信号的强度和灵敏度无线电波的特性穿透性1绕射性2反射性3无线电波在传播过程中具有反射性、绕射性和穿透性这些特性决定了无线电波的覆盖范围和传输质量频率越低，绕射能力越强，穿透能力也越强，因此适用于远距离通信频率越高，反射能力越强，绕射能力越弱，穿透能力也越弱，因此适用于视距通信天线原理与分类全向天线2信号向四面八方辐射，覆盖范围广，增益低，适用于广播和移动通信方向性天线1信号集中在特定方向辐射，覆盖范围窄，增益高，适用于点对点通信智能天线能够自动调整方向和波束形状，提高信3号质量和系统容量蜂窝移动通信网络小区1基站2移动台3蜂窝移动通信网络由多个小区组成，每个小区由一个基站覆盖，移动台在小区之间移动时，可以实现无缝切换蜂窝网络可以有效地利用频谱资源，提高系统容量小区越小，频率复用度越高，系统容量也越大基站负责信号的收发和控制，移动台负责与基站进行通信移动通信系统结构基站子系统网络子系统移动台负责无线信号的收发和负责移动用户的管理和移动用户使用的终端设处理，包括基站控制器控制，包括移动交换中备，负责与基站进行通和基站收发信机心、归属位置寄存器、信访问位置寄存器等多址接入技术1FDMA频分多址，将信道分成多个频率段，每个用户占用一个频率段适用于用户数量较少，带宽需求不高的场景2TDMA时分多址，将信道分成多个时间段，每个用户占用一个时间段适用于用户数量较多，带宽需求不均衡的场景3CDMA码分多址，每个用户分配一个唯一的码字，所有用户同时在同一频率上传输信号抗干扰能力强，保密性好4OFDMA正交频分多址，将信道分成多个子载波，每个用户占用多个子载波适用于高速数据传输频谱管理与分配频谱资源频谱分配频谱共享无线电频谱是一种有限的资源，需要进政府机构负责频谱的分配，根据不同的为了提高频谱利用率，可以采用频谱共行合理的管理和分配，才能保证各种无业务需求，将频谱分配给不同的用户享技术，允许多个用户在同一频谱上进线业务的正常运行频谱分配需要考虑公平性、效率和兼容行通信频谱共享需要解决干扰问题性信号传输与编码基带信号1调制信号2编码信号3信号在传输过程中需要进行编码和调制基带信号是原始信号，调制信号是将基带信号调制到射频载波上的信号，编码信号是为了提高传输可靠性而进行的编码后的信号编码方式包括信源编码和信道编码，调制方式包括模拟调制和数字调制无线网络协议IEEE

802.11蓝牙ZigbeeWi-Fi协议，用于无线短距离无线通信协议，低功耗无线通信协议，局域网通信支持多种用于连接各种设备，如用于物联网应用，如智速率和安全机制耳机、键盘、鼠标等能家居、传感器网络等通信协议族TCP/IP应用层1传输层2网络层3数据链路层4物理层5TCP/IP协议族是互联网的基础协议，采用分层结构，每一层负责不同的功能物理层负责信号的传输，数据链路层负责数据的封装和差错检测，网络层负责数据的路由和转发，传输层负责数据的可靠传输，应用层负责提供各种网络服务网络拓扑结构星型所有节点都连接到一个中心节点，中心节点负责数据的转发易于管理和维护，但中心节点故障会影响整个网络环型所有节点连接成一个环，数据沿着环传输传输效率高，但维护复杂，节点故障会影响整个网络总线型所有节点都连接到一条总线上，数据在总线上广播结构简单，但冲突概率高，传输距离有限网状型所有节点之间都有连接，数据可以沿着多条路径传输可靠性高，但成本高，管理复杂路由与转发技术动态路由路由器自动学习和更新路由，能够适应2网络拓扑的变化，适用于大型网络常静态路由用的动态路由协议有RIP、OSPF、BGP等1由管理员手动配置的路由，简单易实现，但缺乏灵活性，不适用于大型网络路由算法用于计算最佳路由的算法，如距离矢量3算法、链路状态算法等路由算法的目标是找到最短路径或最佳路径交换与路由设备交换机路由器防火墙用于局域网内的数据交换，根据MAC地用于连接不同的网络，根据IP地址进行用于保护网络安全，控制进出网络的流址进行转发，能够提高网络传输效率路由，能够实现跨网络的数据传输量，防止恶意攻击网络安全技术防火墙1控制进出网络的流量，防止恶意攻击可以基于IP地址、端口号、协议等进行过滤入侵检测系统2检测网络中的恶意行为，及时发现入侵事件可以基于特征、异常、行为等进行检测3VPN虚拟专用网络，建立安全的加密通道，保护数据传输的机密性和完整性安全审计4记录网络中的安全事件，分析安全风险，提高安全意识密码学基础知识非对称加密加密和解密使用不同的密钥，密钥管理2方便，但速度慢常用的非对称加密算对称加密法有RSA、ECC等1加密和解密使用相同的密钥，速度快，但密钥管理困难常用的对称加密算法哈希算法有DES、AES等将任意长度的数据转换成固定长度的哈希值，用于验证数据的完整性常用的3哈希算法有MD

5、SHA等网络安全协议SSL/TLS安全套接层协议，用于保护网络通信的机密性和完整性广泛应用于Web浏览器和服务器之间的通信IPsec互联网协议安全，用于保护IP层通信的机密性和完整性可以用于建立VPNSSH安全外壳协议，用于安全地远程登录服务器可以防止密码泄露和中间人攻击网络安全攻防技术SQL注入跨站脚本攻击通过在Web应用程序的输入框中注入恶意的SQL代码，获取数据通过在Web页面中注入恶意的JavaScript代码，窃取用户的库中的敏感信息Cookie和会话信息拒绝服务攻击缓冲区溢出通过发送大量的请求，使服务器资源耗尽，无法正常提供服务通过向缓冲区写入超出其容量的数据，覆盖内存中的其他数据，导致程序崩溃或执行恶意代码物联网通信技术传感器网络LoRaWAN NB-IoT由大量的传感器节点组低功耗广域网协议，用窄带物联网协议，用于成，用于采集环境数据于连接远距离的物联网连接低功耗、低速率的，如温度、湿度、光照设备物联网设备等技术标准5G1eMBB2mMTC增强移动宽带，提供更高的传海量机器类通信，支持大量的输速率，适用于高清视频、物联网设备接入，适用于智能VR/AR等应用家居、智能城市等应用3URLLC超可靠低时延通信，提供超高的可靠性和超低的延迟，适用于自动驾驶、工业自动化等应用网络架构5G核心网1传输网2接入网35G网络架构包括接入网、传输网和核心网接入网负责无线信号的收发和处理，传输网负责数据的传输，核心网负责移动用户的管理和控制5G采用了软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术，提高了网络的灵活性和可扩展性关键技术5G毫米波2利用高频段频谱，提供更大的带宽，实现更高的传输速率大规模MIMO1通过增加天线数量，提高频谱利用率和信号覆盖范围网络切片将网络分成多个逻辑切片，每个切片满3足不同的业务需求应用场景5G智能家居通过5G网络连接各种智能设备，实现远程控制和自动化管理自动驾驶通过5G网络实现车辆之间的通信和远程控制，提高驾驶安全性和效率工业自动化通过5G网络连接各种工业设备，实现远程监控和智能化生产远程医疗通过5G网络实现远程诊断和手术，提高医疗服务水平区块链通信技术去中心化安全可靠透明可追溯区块链技术可以实现去中心化的通信，区块链技术采用密码学算法，保证数据区块链技术可以记录所有的交易信息，避免单点故障和审查的安全性和可靠性实现透明可追溯量子通信技术量子密钥分发量子隐形传态12利用量子力学原理，实现安全利用量子纠缠原理，将量子状的密钥分发，防止窃听态从一个地方传输到另一个地方量子计算3利用量子力学原理，进行高速计算，可以破解传统的密码算法未来通信技术趋势6G人工智能空天地一体化网络更高的传输速率、更低的延迟、更广的智能化网络管理、智能化安全防御卫星通信、无人机通信、地面通信融合覆盖范围通信技术的社会影响经济发展促进电子商务、远程办公、智能制造等发展社会进步促进教育、医疗、文化等领域的创新生活方式改变人们的沟通方式、娱乐方式、购物方式等安全挑战网络攻击、信息泄露、隐私侵犯等本课程总结通过本课程的学习，我们了解了网络通信的基本概念、原理、技术及其发展趋势希望大家能够将所学知识应用到实际工作中，为通信技术的发展做出贡献谢谢大家！。