《网络通信原理概论》课件

网络通信原理概论欢迎学习《网络通信原理概论》课程本课程将系统地介绍网络通信的基本原理、关键技术和最新发展我们将从通信系统基础开始，深入探讨信号处理、调制技术、编码方法、多址接入和网络协议等核心内容，助您建立完整的网络通信知识体系通过本课程的学习，您将掌握现代通信系统的工作原理，了解数据如何在复杂网络中高效传输，为进一步学习专业通信技术和网络工程奠定坚实基础课程概述课程目标学习内容考核方式123本课程旨在帮助学生掌握现代网络通课程内容包括通信系统基础、信号与课程考核采用多元评价方式，包括平信的基本原理和核心技术通过系统系统、模拟与数字调制技术、信道与时作业（）、课堂讨论与小组30%学习，学生将理解从信号调制到网络噪声分析、信源编码与信道编码、多项目（）以及期末闭卷考试20%协议的完整通信流程，培养分析解决址接入技术、网络协议体系以及网络（）平时作业重点考察基础50%通信问题的能力课程结合理论与实安全等同时介绍、物联网、量知识掌握情况，项目评估实践应用能5G践，使学生具备通信系统设计和优化子通信等新兴技术发展趋势力，期末考试综合评价理论理解深度的基本技能第一章通信系统基础通信的定义通信系统的组成通信是指信息从信源传输到信宿的过程它是人类社会最基本的通信系统通常由五个基本部分组成信源、发送端、信道、接收活动之一，涉及信息的产生、处理、传输、接收和理解现代通端和信宿信源产生需要传输的信息；发送端将信息转换为适合信系统通过各种媒介和技术，实现了信息的快速、准确传递，极传输的信号；信道是信号传输的媒介；接收端接收并还原信号；大地促进了人类社会的发展和进步信宿是信息的最终接收者这五个部分共同构成了完整的通信链路通信系统的基本模型信源信源是通信系统中信息的发起点，产生需要传输的原始信息信源可以是人类语音、文字、图像、视频等多种形式在通信系统中，信源产生的信息首先需要转换为电信号才能进入后续处理环节发送端发送端负责将信源产生的信息转换成适合在信道中传输的信号形式主要功能包括信号调制、编码、加密、功率放大等发送端的处理决定了信号的传输效率和抗干扰能力，是通信质量的重要保障信道信道是信号从发送端传输到接收端的媒介或路径可以是物理介质如铜线、光纤、无线电波等，也可以是逻辑通道信道通常会引入噪声、衰减、时延等问题，这些都是通信系统需要克服的挑战接收端接收端负责从信道中捕获信号并恢复原始信息主要功能包括信号放大、滤波、解调、解码等接收端的性能直接影响通信系统的可靠性和有效性，是整个系统的关键环节信宿信宿是通信系统中信息的最终目的地，接收并利用恢复后的信息信宿可以是人、计算机或其他设备通信系统的最终目标是确保信宿能够准确无误地接收到信源发出的信息通信系统的分类按信号类型按传输介质根据所传输信号的性质，通信系统可按照传输介质的不同，通信系统可分分为模拟通信系统和数字通信系统为有线通信系统和无线通信系统有模拟通信系统传输连续变化的信号，线通信系统使用实体介质如铜缆、光如传统电话；数字通信系统传输离散纤等传输信号；无线通信系统则通过的比特流，如现代计算机网络随着电磁波在空间传播，不需要物理连接，技术发展，数字通信因其抗干扰性强、具有更大的灵活性和移动性保真度高等优势，已成为主流按传输方式根据信号传输的方式，通信系统可分为单工、半双工和全双工系统单工系统只能单向传输信息，如广播；半双工系统可以双向传输但不能同时进行，如对讲机；全双工系统支持同时双向传输，如电话系统，效率最高通信技术的发展历程有线通信1有线通信始于19世纪中期的电报系统1837年，莫尔斯发明了电报，标志着现代电信时代的开始1876年，贝尔发明了电话，实现了声音的远距离传输20世纪初，载波技术的发展使一条物理线路能够同时传输多个信道的信息，大大提高了通信效率无线通信21895年，马可尼成功地进行了无线电通信实验，开创了无线通信时代20世纪中期，蜂窝移动通信技术出现，实现了大范围移动通话从1G到5G，移动通信技术经历了模拟语音、数字语音、移动互联网到万物互联的飞跃式发展，传输速率提高了数万倍光纤通信320世纪70年代，随着激光器和低损耗光纤的发明，光纤通信技术开始兴起与传统铜缆相比，光纤具有带宽高、损耗小、抗干扰能力强等优势如今，光纤已成为骨干网络的主要传输媒介，支持着互联网的高速发展，传输容量不断突破，达到每秒数十太比特现代通信网络概述数据网数据网专为计算机数据传输而设计，包括早期的、帧中继和网络等这些网络X.25ATM采用分组交换技术，将数据分割成小包进行电话网传输，提高了网络资源利用率数据网为企电话网是最早建立的全球性通信网络，2业内部通信和早期互联网应用奠定了基础，是连接计算设备的重要桥梁始于世纪末从最初的人工交换到今19天的全数字化程控交换，电话网经历了1互联网模拟到数字的演变现代公共交换电话网采用分层结构，由本地交换、PSTN互联网起源于世纪年代的，2060ARPANET中继交换和国际交换构成，为全球用户如今已发展成为全球最大的网络系统它基3提供可靠的语音通信服务于协议，采用分布式架构，具有极高TCP/IP的可扩展性和容错能力随着技术进步，互联网已从最初的文本共享发展到支持视频、云计算、物联网等多样化应用，成为现代社会的基础设施第二章信号与系统信号的定义信号的分类信号是携带信息的物理量，可以是电压、电流、光强等的时间函信号可以按多种方式分类按时间特性可分为连续时间信号和离数在通信系统中，信号是信息的载体，通过信号的变化来表达散时间信号；按取值范围可分为连续幅值信号和离散幅值信号；和传递信息从数学角度看，信号可以表示为一个或多个自变量按确定性可分为确定性信号和随机信号；按能量特性可分为能量的函数，如时间函数或频率函数信号和功率信号不同类型的信号具有不同的数学特性和处理方st Sf法常见信号类型模拟信号数字信号周期信号和非周期信号模拟信号是在连续时间内取连续值的信号，数字信号是在离散时间内取离散值的信号，周期信号是在时间上具有重复性的信号，满其幅度、频率或相位可以在一定范围内连续通常用和两个电平表示数字信号的主足，其中是信号的周期常见01st=st+T T变化自然界中的大多数信号，如声音、光、要优势在于抗干扰能力强、传输精度高、易的周期信号有正弦波、方波、三角波等非温度等物理量都是模拟信号模拟信号的优于处理和存储现代通信系统大多采用数字周期信号则不具有这种重复性，如单脉冲信点是可以精确表达自然现象，但缺点是在传信号传输，即使是原始的模拟信息，也会通号、阶跃信号等两种信号在频谱特性和分输和处理过程中容易受到噪声干扰过采样和量化转换成数字形式析方法上有很大差异信号的时域和频域表示时域分析时域分析关注信号随时间变化的特性，直接描述信号在各个时刻的幅值时域表示直观易懂，适合分析信号的瞬时特性、上升时间、持续时间等参数对于周期信号，时域分析可以确定信号的周期、峰值等重要特征，为信号的基本认识提供基础频域分析频域分析研究信号的频率成分，表示信号由哪些频率的正弦波叠加而成频域表示能够揭示信号的频率结构，有助于理解信号的带宽需求和频谱特性在通信系统设计中，频域分析对于确定调制方式、滤波器设计和抗干扰等方面具有重要意义傅里叶变换傅里叶变换是连接时域和频域的桥梁，它将时域信号分解为不同频率的正弦波叠加对于周期信号，使用傅里叶级数；对于非周期信号，使用傅里叶变换在数字信号处理中，常用离散傅里叶变换DFT和快速傅里叶变换FFT进行高效计算，为通信系统分析提供强大工具系统的基本概念线性系统时不变系统因果系统线性系统满足叠加原理，即对时不变系统的特性不随时间变因果系统的输出仅取决于当前于任意输入信号和化，即如果输入信号产生和过去的输入，不依赖于未来x1t x2t xt及任意常数和，如果输入输出，则输入会产的输入数学上表示为如果a byt xt-t0产生的输出等于生输出这意味着系统对于任意，ax1t+bx2t yt-t0t0的输出与的输出的响应仅取决于输入信号的形，则ax1t bx2t x1t=x2tt≤t0之和，则该系统是线性的线状，而与信号施加的具体时刻所有实际y1t=y2tt≤t0性系统便于数学分析，许多通无关大多数通信系统设计都可实现的物理系统都必须是因信系统组件如放大器、滤波器期望具有时不变特性，以保证果系统，这是通信系统设计的在一定工作范围内可以近似为处理的一致性基本约束条件线性系统系统的时域和频域分析时域响应频域响应12系统的时域响应描述了系统对输入信系统的频域响应表示系统对不同频率号的时间演变过程对于线性时不变正弦信号的幅度和相位调整能力频系统，其时域响应可以通过系统的单域响应Hjω通常用幅频特性|Hjω|位冲激响应ht与输入信号xt的卷和相频特性∠Hjω来描述幅频特积来确定yt=xt*ht通过分性表示对不同频率信号的增益或衰减析时域响应，可以评估系统的瞬态特程度，相频特性表示引入的相位延迟性、稳态特性、上升时间和稳定时间频域分析在滤波器设计和通信系统带等重要参数宽分析中尤为重要系统函数3系统函数Hs是描述线性时不变系统特性的复函数，是系统输出与输入拉普拉斯变换的比值系统函数包含了系统全部特性信息，可以从中导出时域响应、频域响应、稳定性条件等在通信系统设计中，通过合理配置系统函数的极点和零点位置，可以实现所需的信号处理功能第三章模拟调制技术调制的概念调制的必要性调制是将信息信号调制信号的某个参数加载到另一高频信号载调制在通信系统中具有多重重要性首先，低频信号难以有效辐波的相应参数上的过程在这个过程中，载波的幅度、频率或相射，调制将其转移到高频载波上便于传输；其次，调制可以将不位会随着调制信号的变化而变化，从而使载波携带了调制信号的同信号调制到不同频段，实现频分复用；再次，调制可以改善信信息解调则是调制的逆过程，从已调信号中提取出原始信息信号抗干扰性能；最后，调制可以适应不同信道特性，优化传输效号率和质量幅度调制（）AM原理特点应用幅度调制是最基本的模拟调制方式，其原调制的主要特点是技术简单，易于实现，尽管技术在抗干扰性能方面不如其他调AM AM理是使载波的幅度按照调制信号的变化而接收机结构简单但其抗噪声能力较弱，制方式，但由于其简单性和历史原因，仍变化，而载波的频率和相位保持不变数功率利用效率低（约的功率用于载波，在多个领域有应用广播（33%AM535-1705学表达式为，而载波本身不携带信息）调制产生的）是其最典型应用，覆盖范围广，接st=A[1+kamt]cosωct AMkHz其中是载波幅度，是调制指数，信号带宽是原信号的两倍，频谱利用效率收设备简单廉价此外，航空通信、业余A kamt是调制信号，是载波角频率调制指数不高常见的变体包括双边带调幅无线电通信等领域也使用技术，特别是ωc AMAM控制着调制深度，影响信号质量和功率分、单边带调幅和残留边带调幅技术因其频谱效率高而受到青睐DSB SSBSSB配VSB频率调制（）FM原理特点应用频率调制是使载波的瞬时频率按照调制信号调制最显著的优势是抗噪声能力强，特技术广泛应用于需要高质量音频传输的FM FM的变化而变化的调制方式，而载波的幅度保别是对抵抗幅度干扰效果显著这是因为场合广播（）是其最普FM88-108MHz持不变数学表达式为信号的信息储存在频率变化中，而非幅及的应用，提供高保真立体声广播服务此FM，其中是频度变化中信号的带宽通常比信号宽，外，还用于模拟电视的音频传输、无线st=Acos[ωct+kf∫mτdτ]kf FMAM FM率偏移系数，决定了频率偏移的幅度与调制指数成正比，可以通过控制调制指数麦克风、对讲机、专业通信设备等在医疗FM信号的频谱较为复杂，理论上包含无限多个来平衡频谱效率和抗噪声性能，实现恒定信领域，技术也用于遥测生理信号，如心FM边带，但实际上只有有限个边带具有显著能噪比的预加重技术电图和脑电图的无线传输量相位调制（）PM特点调制的抗噪声性能与相似，优于PM FM信号的带宽也与调制信号的幅度AM PM和频率有关，一般比宽但可以通过限原理AM制调制信号的幅度来控制调制器实PM2相位调制是使载波的相位按照调制信号现相对复杂，但现代数字技术使其实现变的变化而变化的调制方式，载波的幅度得更为简便保持不变数学表达式为1，其中是相st=Acos[ωct+kpmt]kp应用位偏移系数与有密切关系PM FMPM技术在通信系统中应用相对较少，主PM信号的瞬时频率变化是调制信号的导数，要用于某些特殊的专业通信系统在实际而信号的瞬时相位变化是调制信号的FM应用中，常与其他调制方式结合使用，PM积分3如相位调制和频率调制的组合可以改善系统性能是数字相位调制的模拟PM PSK基础，为现代数字通信技术发展奠定了理论基础模拟调制技术的比较调制方式抗噪声性能带宽利用率功率效率实现复杂度幅度调制AM较差中等2B低约33%简单频率调制FM优良低2mB高100%中等相位调制PM优良低可变高100%较复杂单边带调幅中等高B中等约50%较复杂SSB在选择调制方式时，需要综合考虑多种因素AM技术简单但噪声敏感，适用于成本敏感且对质量要求不高的应用；FM提供优良的抗噪声性能，但需要更宽带宽，适合高质量音频广播；SSB在带宽利用率方面表现出色，适用于频谱资源紧张的场合现代通信系统往往采用多种调制技术的组合，以适应不同应用场景的需求随着数字技术的发展，模拟调制正逐渐被数字调制所替代，但在某些特定领域仍具重要价值第四章数字调制技术数字调制的优势基本原理数字调制相比模拟调制具有多项显著优势首先，数字信号处理数字调制的基本原理是将离散的数字信息映射到连续的载波信号技术可以有效提高抗干扰能力；其次，数字信号便于加密和编码，参数上根据改变的载波参数不同，数字调制分为幅移键控、ASK提高安全性和可靠性；再者，数字技术支持多种误差检测和纠正频移键控、相移键控和正交幅度调制等基本类FSK PSK QAM机制；最后，数字系统易于与计算机和其他数字设备集成，适应型每种调制方式都有特定的映射规则、调制器和解调器结构，现代信息系统需求以及独特的性能特点幅移键控（）ASK原理幅移键控是最简单的数字调制方式，通过改变载波信号的幅度来表示数字信息最基本的ASK是二进制ASK（也称开关键控1OOK），数字1用特定幅度的载波表示，数字0用零幅度（即无信号）表示数学表达式为st=Amtcosωct，其中mt为取值0或1的信息序列特点ASK的最大优点是实现简单，调制解调电路结构简单，成本低但ASK对噪声和非线性失真特别敏感，2容易受到幅度波动的影响，导致误码率较高在频谱利用率方面，ASK与其他数字调制技术相比也不具优势由于这些限制，ASK通常只用于数据率要求不高的简单系统应用场景虽然ASK在现代高速通信中应用有限，但在某些特定场景仍有价值低速3光纤通信中常用OOK调制；射频识别RFID标签通常采用ASK调制与读取器通信；某些遥控设备和简单的无线传感器网络也使用ASK技术这些应用通常对功耗和设备复杂度要求较低，而对数据率要求不高频移键控（）FSK原理特点应用场景频移键控通过改变载波信号的的主要优势是抗噪声能力广泛应用于需要可靠性但FSK FSK频率来表示数字信息在二进强，特别是对抗幅度干扰和衰带宽不是主要限制的通信系统制中，数字和分别落信道有良好表现信号传统的调制解调器使FSK10FSK Modem用两种不同频率的正弦波表示可以采用非相干检测，接收机用技术在电话线上传输数FSK数学表达式为结构简单，不需要载波同步据；无线电遥控系统、寻呼机，然而，的频谱效率较低，和某些无线传感器网络采用st=Acos[2πfc+Δf·mtt]FSK其中是频偏，是取值带宽利用率不如和；业余无线电通信中的Δf mt0PSKQAMFSK或的信息序列多进制可为提高性能，常采用连续相位无线电电传使用；1FSK RTTYFSK以使用多个频率，每个符号表和最小频移键控卫星通信和一些深空通信也选FSKCPFSK示多个比特，提高频谱效率等改进技术择作为调制方式，以保证MSK FSK在恶劣条件下的可靠传输相移键控（）PSK原理相移键控通过改变载波信号的相位来表示数字信息在二进制PSKBPSK中，数字1和0分别用相位相差180°的两个正弦波表示数学表达式为st=Acosωct+πmt，其中mt取值0或1更高阶的PSK如QPSK使用多个相位状态，每个符号表示多个比特，提高传输效率特点PSK比ASK和FSK具有更高的频谱效率和更好的误码率性能在给定误码率条件下，PSK需要的信噪比最低，功率效率高BPSK在所有数字调制方式中抗噪声能力最强然而，PSK需要相干解调，对相位噪声敏感，接收机复杂度高为克服相位模糊问题，常采用差分PSKDPSK编码应用场景PSK是现代数字通信系统的核心调制技术QPSK和8PSK广泛应用于卫星通信、无线局域网、数字电视广播和3G/4G移动通信系统特别是QPSK，因其良好的功率和带宽平衡，成为许多通信标准的首选调制方式在深空通信中，BPSK因其极佳的抗噪声性能而被NASA等航天机构广泛采用正交幅度调制（）QAM原理特点高阶QAM正交幅度调制是一种结合了和优点的的最大优势是频谱效率高，比相同功率下随着通信技术发展，高阶如、ASK PSKQAM QAM256-QAM数字调制技术通过同时调制同相和正的能传输更多数据调制阶数越高，频谱甚至已在特定系统中QAM I PSK1024-QAM4096-QAM交两个载波的幅度来传输数据，可以表示为效率越高，但对信噪比要求也越高在高信噪应用高阶提供极高的频谱效率，但对信Q QAM在星座图上，比信道中，高阶能发挥最大效益道质量要求极高，通常需要强大的前向纠错编st=Itcosωct-Qtsinωct QAM QAM信号点按照方格阵列排列，每个点代表一需要相干解调和精确的信道估计，受相位噪声码支持在光纤和高质量有线信道中，高阶QAM个特定的比特组合，调制阶数通常为的幂次和幅度失真影响大现代系统通常结合信能充分发挥优势；而在无线信道中，高阶2QAM QAM方，如、等道编码、均衡和自适应调制技术提高性能通常需要与技术、自适应编码调制16-QAM64-QAMQAMMIMO等先进技术配合使用数字调制技术的比较相对频谱效率相对功率效率实现复杂度选择合适的数字调制技术需权衡多种因素对于功率受限系统如卫星和移动通信，BPSK/QPSK等低阶调制提供最佳功率效率；对于带宽受限系统如有线电视和光纤通信，高阶QAM能提供最高的频谱效率现代通信系统通常采用自适应调制技术，根据信道条件动态调整调制方式另外，编码调制技术将信道编码与调制结合，进一步提高性能未来通信技术将朝着更高阶调制、更灵活的调制体制和更智能的自适应机制方向发展第五章信道与噪声信道的定义信道的分类信道是信息从发送端传输到接收端的媒介或路径从通信系统角信道可以按照不同标准进行分类按传输媒质可分为有线信道和度看，信道包括所有可能影响信号传输的物理媒介和电子设备无线信道；按时变特性可分为时不变信道和时变信道；按频率特信道对信号的影响包括衰减、时延、相位变化、带宽限制、噪声性可分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道；按传输机制可分干扰等，理解和建模这些影响是通信系统设计的重要基础为静态信道、慢衰落信道和快衰落信道不同类型的信道需要采用不同的传输和处理技术有线信道双绞线同轴电缆光纤双绞线由两根绝缘铜线相互缠绕组成，缠绕设同轴电缆由中心导体、绝缘层、外导体屏蔽层光纤是由超纯玻璃或塑料制成的细丝，利用全计能有效降低电磁干扰按屏蔽方式可分为非和外护套组成其同轴结构提供了良好的抗干反射原理传输光信号分为单模光纤和多模光屏蔽双绞线和屏蔽双绞线常见的扰性能和信号完整性同轴电缆的阻抗通常为纤两类单模光纤芯径小，只允许一种UTP STP9μm双绞线最高支持传输速率，用于数据传输或用于视频传输常模式传播，传输距离可达数十千米；多模光纤Cat5e1Gbps Cat50Ω75Ω可支持短距离传输双绞线因成本低、用于有线电视网络、闭路监控系统、以太网早芯径大，允许多种模式传播，适610Gbps50-

62.5μm灵活性好而广泛用于局域网和电话网络期标准如等相比双绞线，同轴电缆合短距离传输光纤具有带宽高、衰减小、抗10Base2抗干扰性能更好，但成本较高干扰能力强等优势，是现代骨干网络的首选传输媒介无线信道地面无线信道卫星信道地面无线信道利用电磁波在地球表面附卫星信道通过空间中的通信卫星转发信近传播传播机制主要包括直射波、反号，实现远距离通信卫星轨道主要有射波、绕射波和散射波根据频率不同，地球同步轨道GEO,高度36000公里、地面无线传播特性各异低频波可沿地中轨道MEO和低轨道LEO卫星信球曲率传播；高频波主要靠视距传播；道的主要特点是覆盖范围广，但存在较超高频和微波则受多径效应和衰落影响大传播时延GEO约为250ms和自由空显著地面无线信道的特点是多径传播间路径损耗现代卫星通信系统采用先导致的时变衰落，以及各种自然和人为进的调制编码技术和多波束天线，大幅干扰提高了频谱利用率和容量移动通信信道移动通信信道是终端设备在移动过程中与基站之间的无线链路其特点是快速时变和频率选择性衰落，受多径传播、多普勒效应和阴影效应等多种因素影响随着终端速度增加，多普勒频移导致信号频谱扩展和相位噪声增加移动通信系统采用自适应调制编码、分集接收、功率控制和信道均衡等技术来克服信道的恶劣影响信道特性衰减信号能量随传播距离减弱1失真2信号波形变形噪声3干扰信号叠加衰减是信号能量随传播距离的减弱在自由空间中，信号功率与距离平方成反比；在实际环境中，由于多径、阴影等因素影响，衰减指数通常在2~6之间不同频率信号的衰减特性不同，这导致信道具有频率选择性衰减直接影响通信距离和可靠性，系统设计需合理规划发射功率和接收灵敏度失真是指信号波形在传输过程中发生变形，主要包括线性失真和非线性失真线性失真源自信道的振幅频响和相位频响不理想，导致信号各频率分量衰减和相移不一致；非线性失真则源自放大器等有源器件的非线性特性失真会导致符号间干扰和信号畸变，需通过均衡技术来补偿噪声是叠加在有用信号上的随机干扰，是信道分析中最基础的概念噪声直接决定了通信系统的性能极限，是评估系统质量的重要指标在设计中，需通过提高信噪比来提升通信质量，如增大发射功率、优化接收机灵敏度、选择抗噪声调制方式等噪声类型热噪声脉冲噪声交调噪声热噪声也称约翰逊噪声是由电子在导体中热运动脉冲噪声是短时间高能量的突发干扰，如雷电放电、交调噪声是由系统非线性引起的信号间相互干扰引起的，存在于所有电子设备中它是一种加性白电机换向器火花、电力线路开关过程等产生的干扰当多个频率信号通过非线性系统如放大器时，会噪声，功率谱密度均匀分布，表达式为N0=kT，脉冲噪声的特点是幅度大但持续时间短，其功率谱产生原本不存在的新频率分量三阶交调产物特别其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度热噪声是分布很宽脉冲噪声对数字通信系统的影响尤为显危险，因为它们可能落在有用信号带内交调噪声通信系统中最普遍、最基本的噪声源，直接决定了著，可能导致突发错误为抵抗脉冲噪声，通常采在多载波系统和频分复用系统中尤为突出降低交接收机的灵敏度下限为降低热噪声影响，可以降用交织技术将连续错误分散，配合纠错码进行处理，调噪声的方法包括使放大器工作在线性区域、采低系统工作温度，如在雷达和射电天文接收机中采或使用自适应滤波器检测和消除脉冲噪声用预失真技术、使用具有高三阶截止点的器件等用低温制冷信噪比与信道容量信噪比dB信道容量bit/s/Hz香农公式定义了信道容量的理论上限C=B·log₂1+S/N，其中C是信道容量比特/秒，B是带宽赫兹，S/N是信噪比这一公式揭示了带宽、信噪比和信道容量三者之间的基本关系，是信息论的核心成果之一从香农公式可以看出，信道容量随带宽线性增长，但随信噪比对数增长这意味着在低信噪比区域，略微提高信噪比就能显著提升容量；而在高信噪比区域，即使大幅提高信噪比，容量增加也很有限这一洞见引导了现代通信系统设计中的频谱扩展和MIMO技术等创新方向第六章信源编码信源编码的目的冗余度概念信源编码旨在以最少的比特数表示信息源输出的数据，即数据压冗余度是指信息中可被压缩的部分，包括统计冗余、空间冗余、缩通过减少数据中的冗余，信源编码能够提高传输和存储效率，时间冗余和心理视觉听觉冗余等统计冗余源于符号出现概率不/降低带宽需求和存储成本信源编码是数据压缩的理论基础，广均；空间冗余源于相邻像素相关性；时间冗余源于连续帧之间的泛应用于音频、图像、视频等多媒体数据的压缩处理，是现代通相似性；心理冗余则基于人类感知系统对某些信息不敏感的特性信和存储系统的重要组成部分信源编码正是利用这些冗余实现数据压缩无损压缩编码算术编码算术编码将整个符号序列编码为区间[0,1内的单个实数它根据符号概率递归细分数值区间，最终用区间内任一数表示整个序列算术编码克服了霍夫曼编码霍夫曼编码的限制，能够为单个符号分配小于1位的比特，理论上可以无限接近信息熵极限虽然计算复杂度较高，但霍夫曼编码是一种熵编码方法，根据符号出现概2在处理高度偏斜概率分布时性能优异，被广泛用于图率分配变长编码，高频符号用短码，低频符号用像和视频编码长码编码过程使用二叉树，自底向上构建，确保任何符号的编码不是其他符号编码的前缀霍1游程编码夫曼编码压缩效率接近信息熵，但每个符号至少需要1位，无法处理概率小于

0.5的符号它是ZIP、游程编码RLE是一种简单的压缩方法，将连续重复的JPEG等多种压缩格式的基础组件3符号序列替换为符号+计数的形式如序列AAABBCCC可编码为3A2B3C游程编码对包含大量重复数据的文件如简单图形、传真文档特别有效虽然压缩率不及高级算法，但其简单性使其成为许多格式的预处理步骤，如BMP图像、PCX文件格式等有损压缩编码量化量化是将连续信号转换为离散值的过程，是有损压缩的基础均匀量化对整个信号范围使用相同步长；非均匀量化根据信号分布特性调整步长，如μ律和A律压缩在电话系统中的应用矢量量化将多个样本作为整体进行量化，利用样本间相关性提高效率量化不可避免地引入量化噪声，但通过精心设计可使这种失真在感知上可接受变换编码变换编码将信号从空间域转换到频率域或其他域，使能量集中在少数系数上离散余弦变换DCT因其优良的能量集中特性而广泛应用于JPEG和MPEG等标准小波变换在时频域提供多分辨率分析能力，适合处理含有瞬态特性的信号变换后，大多数能量集中在少数系数中，丢弃或粗略量化小系数，可大幅降低数据量而保持主要信息图像压缩JPEGJPEG是最常用的图像压缩标准，基于DCT变换和熵编码压缩过程包括将图像分为8×8像素块；对每块进行DCT变换；根据量化表量化DCT系数；对量化系数进行熵编码通常是霍夫曼或算术编码JPEG能够实现10:1甚至更高的压缩比，同时保持良好的视觉质量它支持可调压缩率，用户可根据需要平衡质量和文件大小语音编码技术编码编码PCM ADPCM脉冲编码调制PCM是最基本的数字音频编自适应差分PCMADPCM利用相邻样本相码方式，包括采样、量化和编码三个步骤关性，只编码样本间的预测误差，而非样本根据奈奎斯特采样定理，采样频率须大于信本身预测器基于过去样本估计当前样本，号最高频率的两倍，电话语音通常采样率为预测误差通常比原始信号幅度小，所需位数8kHz标准PCM使用均匀量化，每样本8更少ADPCM自适应调整预测参数和量化位，总比特率64kbps为提高动态范围，步长，以适应信号特性变化G.726标准电话系统采用A律或μ律非线性量化，用8位ADPCM可以16/24/32/40kbps速率编码表示13~14位线性PCM精度，但仍保持语音，其中32kbps ADPCM提供与64kbps比特率64kbps PCM相当的质量，应用于国际长途电话声码器声码器不直接编码波形，而是建模人类发声机制，编码声音参数线性预测编码LPC将语音建模为由声门激励驱动的线性预测滤波器，编码激励信号和滤波器系数码激励线性预测CELP使用码本搜索最佳激励信号，显著提高语音质量现代声码器如AMR和Opus支持多速率编码，比特率低至数kbps，广泛应用于移动通信和网络电话，如WhatsApp和微信语音视频编码技术标准MPEG H.264/AVC H.265/HEVC运动图像专家组开发了一系列国际视第部分是最广泛采用高效视频编码是的继任MPEGH.264/AVCMPEG-410H.265/HEVCH.264频编码标准技术基于三种帧类型帧的视频编码标准之一与相比，者，旨在应对和超高清视频的挑战MPEG IMPEG-24K8K帧内编码、帧前向预测和帧双向预测在相同质量下可节省约比特率其引入了更灵活的编码结构，将宏块扩展PBH.26450%HEVC帧提供随机访问点；帧利用前面的或帧预创新包括可变块大小运动补偿、多参考帧、改为编码树单元，支持更大和更复杂的分I PIPCTU测，编码运动矢量和残差；帧利用前后帧预进的熵编码和去块滤波器等区模式相比，在相同质量下可B CABACH.264H.264HEVC测，提供最高压缩率针对质量支持从移动设备到高清电视的多种应用，是蓝再节省约比特率，特别适合高分辨率内容MPEG-1VCD50%设计；支持和数字电视；光光盘、数字电视广播和网络视频如已应用于电视广播、流媒体服务和新MPEG-2DVDHEVC4K增加了对象编码和交互功能的标准编码格式一代物理媒体最新的通用视频编码标MPEG-4YouTube VVC准进一步提升了编码效率第七章信道编码信道编码的目的纠错码与检错码信道编码的主要目的是提高通信系统的可靠性，使信息能够在有检错码只能发现错误而不能纠正错误，如奇偶校验码和循环冗余噪声的信道中可靠传输通过在发送数据中添加冗余信息，信道校验码当检测到错误时，系统通常请求重传数据纠错码CRC编码使接收端能够检测并纠正传输过程中发生的错误信道编码则能自动纠正一定数量的错误，避免重传，如码、BCH Reed-是现代通信系统的关键技术，广泛应用于数字通信、数据存储和码等在实际应用中，应根据信道特性、误码率要求和Solomon深空通信等领域，对于确保数据完整性和系统性能至关重要系统复杂度等因素选择合适的编码方案，有时采用混合策略，兼顾检错和纠错能力线性分组码原理线性分组码将信息序列划分为固定长度的数据块，每块添加冗余位形成码字线性意味着任意两个码字的模2加法仍是有效码字线性分组码可用生成矩阵G和校验矩阵H表示，满足H·G^T=0码的纠错能力与最小汉明距离相关距离d的码可纠正t≤d-1/2个⌊⌋错误常见的线性分组码包括汉明码、BCH码和Reed-Solomon码等编码与解码编码过程是将k位信息序列m乘以生成矩阵G，得到n位码字c=m·G解码可基于不同方法查表解码适用于小型码；症状解码计算症状向量s=H·r^Tr为接收向量，通过症状确定错误模式；最大似然解码寻找与接收序列最接近的有效码字，性能最佳但复杂度高不同解码算法在复杂度和性能间取得不同平衡汉明码汉明码是最早的实用线性分组码，可纠正单比特错误n,k汉明码满足n=2^m-1,k=2^m-m-1m≥3，常见的7,4汉明码使用3个校验位保护4个信息位汉明码的设计使得单比特错误产生唯一的症状，直接指示错误位置由于结构简单且编解码高效，汉明码广泛应用于需要单错纠正的场合，如计算机内存中的ECC内存，虽然纠错能力有限，但实现成本低卷积码原理编码器结构解码算法Viterbi卷积码是一种连续编码方式，其输出不仅依赖卷积编码器由移位寄存器和模加法器组成算法是卷积码的最大似然解码方法，通2Viterbi于当前输入，还依赖于过去的输入卷积码由输入位依次进入移位寄存器，通过不同的抽头过格状图寻找最可能的编码路径算法计算每约束长度影响编码的输入位数、码率连接到加法器，产生输出位编码器可用状态个状态的路径度量累积欧氏距离或汉明距离，K个输入产生个输出和生成多项式图、树状图或格状图表示状态图显示状态转在每个状态保留最优路径幸存路径，丢弃次R=k/nk n定义与分组码不同，卷积码处理连续移；树状图展示路径随时间展开；格状图综合优路径随着解码深度增加，不同初始状态的G_ix数据流，无需分块，适合流式传输卷积码的了前两者优点，既紧凑又直观，特别适合描述幸存路径会汇聚，解码器可决定最早的比特误差纠正能力与约束长度成正比，但解码复杂解码过程编码器的内部状态数为，算法复杂度与状态数成正比，约束长度2^K-1K Viterbi度随约束长度指数增长为约束长度的卷积码需要个状态，这限制了实用K2^K-1卷积码的约束长度通常不超过9交织技术原理交织技术通过重新排列数据位顺序，将连续错误突发错误分散为多个隔离的单比特错误交织本身不提供错误纠正能力，而是与其他纠错码配合使用，使后者能够更有效地处理突发错误在发送端，编码后的数据经过交织器重新排列；在接收端，数据先经过解交织恢复原始顺序，再进行解码交织深度决定了能够有效处理的突发错误长度分类交织主要分为块交织和卷积交织两类块交织将数据写入矩阵，按不同顺序读出，结构简单但引入固定延迟卷积交织使用多个不同长度的移位寄存器，延迟随时间平滑分布，内存需求较低随机交织提供更好的错误分散性能，但实现复杂此外，还有符号交织交织单位是符号和比特交织交织单位是比特之分，适用于不同类型的信道应用交织技术广泛应用于无线通信、卫星通信和数据存储系统中在移动通信中，信道快衰落会导致突发错误，交织能有效应对数字广播标准如DAB和DVB使用交织对抗多径效应和干扰存储系统如光盘和硬盘使用交织对抗表面缺陷和磁头读写错误交织深度的选择需平衡错误分散能力和处理延迟，移动设备通常采用较浅交织以减少延迟，而非实时系统则可使用深交织获得更好保护码与码Turbo LDPC码原理码原理性能与应用Turbo LDPC码是世纪年代发明的革命性低密度奇偶校验码最初由码和码代表了当前最强大的Turbo2090LDPC Turbo LDPC编码技术，性能接近香农极限其核心是于年提出，因当时计算能纠错码，都能在低信噪比下实现可靠通信Gallager1960并联级联卷积码结构，由两个相力有限而被忽视，直到年代才重获关在短码长和中码长场景下，码性能PCCC1990Turbo同的递归系统卷积编码器和一个交织器组注码由稀疏校验矩阵定义，矩阵略占优势；在长码长场景下，码表LDPC HLDPC成信息序列直接进入第一个编码器，交中的比例很低，通常用二部图表示现更佳码已用于移动通信1Turbo3G/4G织后进入第二个编码器，两个编码器的输编码是求解线性方程组；解码采和深空通信；码应用于卫c·H^T=0LDPC DVB-S2出合并形成码字解码采用迭代解用置信传播算法，在变量节点和校验节点星电视、、通信和Turbo Wi-Fi

802.11n/ac5G码方法，两个解码器交换外部信息，每次间传递消息，性能同样接近香农极限，且高速存储系统两种编码各有优势迭代提高可靠度，通常次迭代后收敛结构规整，适合并行实现码的编码复杂度低；码的解8-10TurboLDPC码具有高度并行性，适合硬件实现第八章多址接入技术多址接入的概念多址接入的必要性多址接入技术是指在同一通信系统中，多个用户共享有限的通信多址接入技术是大规模通信系统的基础，其必要性体现在多个方资源如频谱、时间槽或空间资源，实现同时通信的方法有效的面首先，频谱等通信资源稀缺且昂贵，必须有效共享；其次，多址接入方案应当允许用户按需分配资源，最大化系统容量，同用户需求呈爆炸式增长，系统必须支持更多用户；再者，不同用时保证服务质量无线通信由于资源特别有限，对多址接入技术户的流量模式差异大，需要灵活的资源分配机制；最后，多址接的需求尤为迫切，这是无线网络设计的核心问题之一入也是实现网络覆盖和无线干扰管理的重要手段频分多址（）FDMA原理特点应用频分多址是最早的多址接入技技术成熟稳定，实现简是第一代模拟蜂窝系统FDMA FDMA术，将可用频谱分割为多个不单，无需精确同步每个用户的基础技术，为每个AMPS重叠的频段，每个用户分配一连续占用带宽，适合语音等恒用户分配带宽卫星通30kHz个专用频段用户在整个通信定比特率业务的缺点信中的单信道每载波FDMA SCPC期间独占其频段，使用带通滤是缺乏灵活性，一旦分配，频使用，为每个地球站分FDMA波器分离各用户信号段在用户不使用时也被占用，配专用频段固定无线接入和FDMA要求用户的发射功率严格控制，造成资源浪费；单用户带宽固点对点微波通信常采用FDMA以防止相邻信道干扰为避免定，难以适应突发数据传输；虽然随着和的发TDMA CDMA信道间干扰，相邻频道间通常系统容量扩展需要增加频谱，展，纯应用减少，但作FDMA设置保护频带，这会降低频谱扩展性受限；全双工通信需要为复合多址接入方案的组成部利用率，但工程实现简单成对频段，降低频谱效率分，仍在现代通信系统FDMA中发挥作用时分多址（）TDMA原理1时分多址将时间划分为帧，每帧再分为多个时隙，每个用户在预分配的时隙内传输数据用户共享同一频率但在不同时间发送信息，相当于时间上的资源复用TDMA需要精确的时间同步，通常采用帧同步和保护间隔来避免相邻时隙用户信号重叠在典型TDMA系统中，用户的数据传输呈周期性突发，峰值传输速率远高于平均速率特点2TDMA的主要优势是灵活性高，可根据业务需求动态分配时隙数量，支持可变速率服务；功率控制要求较FDMA宽松；系统容量易于扩展，只需增加帧中的时隙数TDMA的缺点包括需要复杂的同步和定时控制；突发传输要求更高峰值功率；有效载荷比FDMA低，因需要额外的同步和控制开销；多径效应对TDMA影响较大，通常需要均衡器应用3TDMA技术广泛应用于2G数字蜂窝系统，如GSM每帧8个时隙和IS-136DECT无绳电话系统采用TDMA/TDD结构卫星通信系统如VSAT网络利用TDMA提高卫星转发器利用率此外，TDMA原理也用于有线通信中，如以太网交换和PON无源光网络在现代通信系统中，TDMA常与FDMA结合，形成FDMA/TDMA混合方案，如GSM同时使用频分和时分码分多址（）CDMA特点CDMA具有多项独特优势频率复用因子为1，所有小区可使用相同频率；信号脉冲化特性降低多径干扰；软切换提高边界区域性能；具有内在隐私性，原理难以被非授权接收CDMA的容量受限于系统总干2扰，存在近远效应问题，要求精确功率控制；系码分多址允许多个用户同时在相同频率上传输，每统复杂度高，需要复杂的多用户检测算法；严格的个用户使用唯一的伪随机码序列扩频码调制其信码同步要求增加实现难度号接收端使用相同的码序列解调解扩特定用户1信号，同时其他用户信号被抑制为背景噪声应用CDMA基于直接序列扩频DSSS或跳频扩频CDMA技术是3G移动通信的核心，CDMA2000和FHSS技术，将窄带信号扩展到更宽频带，提高抗WCDMA是两大主流3G标准扩频技术最初用于军干扰能力事通信，提供抗干扰和低截获概率特性GPS定位3系统使用CDMA区分不同卫星信号在室内定位和无线传感器网络中，CDMA有助于减轻多径效应和干扰现代Wi-Fi标准也采用扩频技术的变体，如DSSS和OFDM，结合CDMA原理提高系统性能空分多址（）SDMA原理特点12空分多址利用空间维度分离用户信号，SDMA的优势在于可以显著提高系统容允许多个用户在相同时间和频率上通信量和频谱效率，同一资源被多个空间位SDMA主要通过两种技术实现一是利置的用户复用；降低发射功率，减少干用定向天线或智能天线形成空间选择性扰并延长电池寿命；提高信号覆盖范围波束，将信号能量集中在特定方向；二和质量SDMA的挑战包括需要准确是利用多输入多输出MIMO技术和信号的用户位置信息或信道状态信息；受用处理算法，基于用户的空间特征如信道户移动性和散射环境影响大；系统复杂特征矩阵区分不同用户信号度高，需要多天线和复杂的信号处理；对硬件一致性和校准要求高应用3现代蜂窝系统广泛采用SDMA提高网络容量，如LTE-Advanced和5G NRWi-Fi

6802.11ax使用MU-MIMO技术实现SDMA，同时服务多个用户卫星通信使用多波束技术实现空间复用在高密度部署场景，如体育场和会议中心，SDMA特别有价值随着大规模MIMO和毫米波技术发展，SDMA在5G及未来网络中的作用将更加突出，成为实现超高数据率和低延迟的关键技术正交频分多址（）OFDMA正交频分多址是基于技术的多用户接入方案，将的子载波分组分配给不同用户，实现在频域和时域的细粒度资源分配与传统OFDM OFDMOFDM相比，允许子载波资源动态分配，提高系统灵活性和频谱利用效率OFDMA的主要特点包括资源分配灵活，可根据用户需求和信道状态分配不同数量子载波；支持多用户分集，选择性为用户分配信道条件良好的子OFDMA载波；降低峰均比，改善功率放大效率；支持差异化，为不同业务提供不同优先级PAPRQoS是和的核心多址接入技术下行使用，资源块是分配单位；上行使用降低进一步OFDMA4G LTE5G NRLTE OFDMARB SC-FDMA PAPR5G NR增强灵活性，支持多种子载波间隔也采用提高多用户接入效率的成功应用证明了其在高速移动宽带通信中的价OFDMA Wi-Fi6OFDMA OFDMA值第九章网络协议协议的定义协议的功能网络协议是定义通信实体之间如何交换信息的规则集合协议规网络协议执行多种关键功能封装将数据包装成易于传输的——定了通信的语法数据格式、编码方式、语义控制信息的解释、格式；寻址确定消息的源和目的地；路由选择数据从源————动作序列和时序速度匹配、排序网络协议就像人类语言，允到目的地的最佳路径；连接控制建立、维护和终止连接；可——许不同设备交谈，无论它们的硬件和软件如何不同协议的标靠传输确保数据完整无损到达；流量控制防止发送方淹————准化促进了互操作性，使不同厂商的设备能够无缝协作没接收方；错误控制检测和纠正传输错误；安全提供加————密和认证机制不同协议专注于不同功能，共同构成完整的网络架构七层模型OSI物理层物理层是OSI模型的最底层，负责比特流在物理媒介上的传输它定义了电气特性、机械特性、功能特性和过程特性，包括电压电平、数1据速率、最大传输距离、物理连接器等物理层协议包括RS-

232、RS-

449、V.

35、以太网物理规范等物理层不关心比特的含义，仅处理原始信号的传输数据链路层数据链路层将物理层的原始比特流组织成帧，提供点对点的可靠传输主要功能包括帧定界、物理寻址、流2量控制、错误控制和介质访问控制数据链路层可分为两个子层逻辑链路控制LLC和介质访问控制MAC典型协议包括以太网、令牌环、HDLC、PPP等数据链路层是局域网技术的核心网络层网络层负责端到端的数据包传输，关注的是如何将数据从源主机路由到目标主机，无论它们是否在同一网络主要功能包括逻辑寻址、路由选择和数据包分片与重3组网络层协议最典型的是IP协议，此外还有ICMP、IGMP、IPX和路由协议如RIP、OSPF、BGP等网络层使互联网成为可能，允许不同网络互连七层模型（续）OSI传输层传输层提供端到端的通信服务，负责将上层数据分段、传输，然后在接收端重新组装主要功能包括分段和重组、连接控制、流量控制和错误控制两个主要1协议是面向连接的TCP提供可靠传输和无连接的UDP提供快速但不可靠的传输传输层是网络通信中的关键层，它隔离了下层的网络细节，为应用程序提供统一接口会话层会话层建立、管理和终止应用程序之间的会话它提供对话控制确定谁可以发送数据、同步在数据流中设置检查点和活动管理会2话层服务的例子包括NetBIOS、RPC、SQL等在实际TCP/IP实现中，会话层功能通常被合并到应用层或传输层会话层确保不同系统之间的通信有序进行，特别是在长时间交互中表示层表示层负责数据格式转换、加密解密和压缩解压它确保一个系统的应用层发送的信息可以被另一个系统的应3用层理解表示层服务包括MIME编码、SSL/TLS加密、JPEG、MPEG等编码表示层解决了不同系统可能使用不同数据表示方式的问题，如ASCII和EBCDIC编码转换，或大端小端字节序转换等应用层应用层是OSI模型的最高层，直接与用户应用程序交互，提供网络服务接口典型的应用4层协议包括HTTPWeb、SMTP/POP3/IMAP电子邮件、FTP文件传输、DNS域名解析、DHCP地址分配等应用层定义了用户可以访问的网络服务，实现了最终用户能够看到和使用的功能，如网页浏览、文件传输和电子邮件等协议族TCP/IP应用层应用程序和网络服务接口1传输层2端到端连接管理网络层3数据包路由和转发网络接口层4硬件和物理媒介接口TCP/IP协议族是互联网的基础，采用四层模型而非OSI七层模型网络接口层对应OSI的物理层和数据链路层，负责物理数据传输，包括以太网、Wi-Fi等协议网络层主要由IP协议实现，负责数据包的路由和转发，处理跨网络通信问题传输层包括TCP和UDP两个主要协议TCP提供可靠、面向连接的传输服务，具有流量控制、拥塞控制和错误恢复功能；UDP提供不可靠、无连接的传输服务，适合对实时性要求高的应用应用层包含各种具体应用协议，如HTTP、FTP、SMTP等，直接为用户应用程序提供服务与OSI模型相比，TCP/IP更为精简实用，已成为实际网络实现的标准虽然OSI七层模型在理论上更为完整，但TCP/IP因其简单性和实用性在现实世界获得广泛应用现代网络讨论通常参考TCP/IP模型，但借用OSI模型的概念框架描述不同层次的功能重要网络协议协议协议协议IP TCP UDP互联网协议是协议族传输控制协议工作在传输用户数据报协议也工作在IP TCP/IP TCPUDP的核心，工作在网络层提供层，提供可靠的、面向连接的传传输层，提供简单的、无连接的IP了无连接的数据包传递服务，负输服务通过三次握手建立传输服务相比，具有TCP TCPUDP责寻址和路由功能，使数据能够连接，通过四次挥手终止连接，更低的开销和延迟，但不保证可跨越多个网络到达目的地确保双方通信状态同步使靠传输，没有流量控制和拥塞控IPv4TCP使用位地址空间，面临地址耗用序列号和确认机制实现可靠传制机制适用于对实时性要32UDP尽问题；采用位地址空输，丢失的数据包会被重传流求高、可接受少量数据丢失的应IPv6128间，提供更丰富的地址资源量控制通过滑动窗口机制实现，用，如视频流、在线游戏、IP VoIP协议不保证可靠传输，数据包可防止发送方淹没接收方；拥塞控和查询的头部只有DNS UDP8能丢失、重复、延迟或乱序，这制通过慢启动、拥塞避免、快重字节，远小于的字节，这TCP20些问题需要上层协议如来解传和快恢复算法优化网络性能使得数据包更轻量开发者TCPUDP决还支持数据包分片和重组，广泛用于要求可靠传输的应使用时通常需要在应用层实IP TCPUDP以适应不同网络的最大传输单元用，如网页浏览、文件传输和电现自己的可靠性和流控机制，以子邮件满足特定需求MTU应用层协议HTTP/HTTPS视频流协议DNS邮件协议FTP其他HTTP超文本传输协议是Web的基础，用于浏览器和服务器之间传输网页和相关资源HTTP/

1.1引入了持久连接和管道技术，HTTP/2添加了多路复用和头部压缩，HTTP/3基于QUIC协议进一步提高性能HTTPS是HTTP的安全版本，通过SSL/TLS加密保护数据传输FTP文件传输协议专门用于文件上传下载，使用单独的控制连接和数据连接SMTP简单邮件传输协议负责发送电子邮件，而POP3和IMAP用于接收邮件，其中IMAP提供更多高级功能如服务器端存储和搜索这些应用层协议构建在TCP/IP基础上，各自针对特定应用场景优化，共同支撑着互联网的丰富功能第十章网络安全网络安全的重要性安全威胁类型网络安全对于保护信息系统和数据至关重要随着网络应用深入网络安全威胁多种多样恶意软件威胁包括病毒、蠕虫、特洛伊各行各业，网络攻击可能导致数据泄露、经济损失、声誉损害甚木马和勒索软件等；网络攻击包括攻击、注入、跨站脚DDoS SQL至关键基础设施瘫痪特别是在云计算、物联网和等新技术快本攻击等；社会工程学攻击如钓鱼和欺骗；内部威胁来自拥有合5G速发展的背景下，攻击面不断扩大，安全威胁日益复杂建立全法访问权的人员；高级持续性威胁则是针对特定目标的长期APT面的网络安全防护体系已成为组织的必要投资，而非可选项目复杂攻击了解这些威胁类型是制定有效防御策略的前提加密技术对称加密非对称加密数字签名对称加密使用同一密钥进行加密和解密算法非对称加密也称公钥加密使用一对密钥公数字签名是非对称加密的另一重要应用，提供包括已被破解、安全但较慢、钥用于加密，私钥用于解密代表算法有、身份认证、数据完整性和不可否认性签名过DES3DESRSA现代标准，安全高效和等椭圆曲线和等非对称程是对消息摘要如哈希值用私钥加AESChaCha20ECCDiffie-HellmanSHA-256对称加密速度快、效率高，适合加密大量数据加密解决了密钥分发问题，但计算复杂度高，密，验证则用公钥解密并比对摘要数字签名其主要挑战是密钥分发问题如何安全地将密速度慢于对称加密典型应用包括中的广泛应用于软件分发确保来源真实、电子合HTTPS钥传递给通信另一方实际应用中，对称加密握手、数字证书、安全电子邮件等由于同具法律效力、电子证书体系等领域TLSPKI常与非对称加密结合使用，后者用于安全交换性能原因，非对称加密通常只用于加密小数据现代签名算法包括、和RSA-PSS DSAECDSA对称密钥量，如会话密钥等，后者在移动和物联网设备上尤为流行网络攻击类型攻击中间人攻击1DoS2拒绝服务攻击DoS及其分布式版本中间人攻击MITM是攻击者秘密中继或DDoS通过消耗目标系统资源使其无法篡改两方通信的攻击形式攻击者先拦截正常服务攻击方式包括SYN洪水利用双方通信，然后分别与两方建立连接，在TCP三次握手漏洞、UDP洪水、HTTP传递数据同时可能进行窃听或篡改常见洪水和反射放大攻击利用DNS或NTP协形式包括ARP欺骗、DNS欺骗、SSL劫持议等现代DDoS攻击规模巨大，可达数和Wi-Fi窃听等防御方法包括使用Tbps，使用僵尸网络被控制的设备集群HTTPS、证书固定Certificate发起防御措施包括流量清洗、负载均衡、Pinning、强制HSTS和双因素认证等CDN分发和专业DDoS防护服务等公共Wi-Fi使用时应特别警惕此类攻击钓鱼攻击3钓鱼攻击是一种社会工程学攻击，诱骗用户泄露敏感信息或安装恶意软件常见手段包括仿冒电子邮件、网站、短信或即时消息鱼叉式钓鱼针对特定目标定制内容，成功率更高CEO欺诈是针对企业高管的特殊钓鱼形式，通常涉及财务操作防御措施包括员工安全意识培训、邮件过滤系统、网站黑名单和双因素认证等统计显示，约80%的安全事件与钓鱼相关防火墙技术分类防火墙按架构可分为包过滤防火墙、状态检测防火墙、应用代理防火墙和下一代防火墙NGFW包过滤防火墙基于IP地址和端口规则工作，速度快但功能有限；状态检测防火墙跟踪连接状态，安全性更高；应用代理防火墙在应用层检查流量，提供深度防护；NGFW集成IPS、应用控制和威胁情报等高级功能按部署位置，可分为网络防火墙和主机防火墙工作原理防火墙通过预设规则控制网络流量规则基于源/目标IP、端口、协议等参数，按特定顺序评估默认策略通常设为拒绝所有，仅允许明确许可的通信现代防火墙支持深度包检测DPI，可检查数据包内容而非仅检查头部；支持NAT功能，隐藏内部网络结构；集成VPN功能，保护远程通信；并能检测异常行为模式，识别未知威胁配置策略有效的防火墙策略遵循最小权限原则，仅允许业务必需的通信配置应遵循自上而下规则先设置具体规则，后设置通用规则；先处理允许规则，后处理拒绝规则应定期审查和清理过时规则，避免安全漏洞规则命名应清晰，记录目的和责任人区域划分是重要策略，将网络分为互联网区、DMZ区和内部区，实施分层防护现代企业通常采用深度防御策略，部署多层防火墙技术VPN原理类型应用场景虚拟专用网络VPN通过公共网络如互联网创建按实现技术分，常见VPN类型包括IPsec VPN企业应用VPN允许员工安全访问内部资源，支安全的私有连接VPN使用隧道协议将原始数据工作在网络层，安全性高，常用于站点间连接；持远程办公和BYOD策略；连接分散的办公地点形包封装在新数据包中，并通过加密保护数据内容SSL/TLS VPN基于Web技术，无需客户端软件，成统一网络；保护与合作伙伴和供应商的敏感数据VPN提供三重保护加密确保数据机密性；认证适合远程访问；PPTP/L2TP VPN实现简单但安全交换个人应用保护公共Wi-Fi上的网络活动；保证通信双方身份；完整性检查防止数据被篡改性较低；WireGuard是新兴高性能VPN协议，代绕过地理限制访问内容；防止ISP跟踪浏览活动和VPN有效解决了远程办公、分支机构互联和保护码简洁高效按应用场景分，VPN可分为远程带宽限制；在某些国家规避网络审查特殊行业如公共Wi-Fi使用等问题，成为现代网络安全的重要访问VPN连接个人与企业网络；站点到站点VPN金融、医疗和政府部门有特定的VPN合规要求，组成部分连接多个企业办公地点；云VPN连接企业与云服以保护敏感数据和满足法规标准务；移动VPN优化移动设备连接第十一章新兴通信技术通信物联网15G25G是第五代移动通信技术，提供高达物联网IoT是互联设备的网络生态系统，20Gbps的峰值数据率、1ms低延迟和每能自主交换数据并作出决策IoT通信技平方公里100万设备连接能力5G架构基术多样化，包括短距离技术如蓝牙、于网络切片、边缘计算和软件定义网络，ZigBee、Wi-Fi和长距离低功耗技术如可根据不同应用需求定制网络特性关键LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M物联网技术包括大规模MIMO、毫米波频段和新面临的主要挑战包括安全隐私设备漏洞可型波形设计5G将推动三大应用场景增能导致大规模攻击、异构系统互操作性、强型移动宽带eMBB、超可靠低延迟通电源管理和大数据处理物联网正在改变信URLLC和大规模机器类通信mMTC，多个行业，如智能家居、医疗健康监测、为智能城市、自动驾驶和工业

4.0等应用智慧农业和工业自动化奠定基础边缘计算3边缘计算将数据处理从云端移至网络边缘，靠近数据源这种分散架构大幅降低延迟、减少带宽需求并提高隐私保护多接入边缘计算MEC是移动网络的边缘计算实现，将计算资源直接集成到基站边缘计算支持对时间敏感的应用如自动驾驶、AR/VR和工业控制系统随着5G部署和IoT设备爆炸式增长，边缘计算将成为通信架构不可或缺的组成部分，与云计算形成互补关系量子通信优势量子通信最大优势是理论上的无条件安全性，不依赖于计算复杂性假设，即使面对量子计算机也安全量子通信能立即检测窃听行为，提供实时安全保证此外，量原理子通信还具有前向安全性，即使未来密钥被破解，也不会危及当前加密的数据随着量子计算对传统密码学2量子通信基于量子力学原理，特别是量子纠缠和不确定构成威胁，量子通信将成为后量子时代安全通信的关键性原理量子密钥分发QKD是最成熟的量子通信应用，技术利用光子的量子态传输密钥BB84是最典型的QKD协1议，利用量子不可克隆定理和测量干扰原理保证安全性发展现状具体实现上，发送方将信息编码到光子的量子态如偏振全球多国积极推进量子通信研究和应用中国建成世界状态，接收方通过测量获取信息任何窃听尝试都会改首条量子通信骨干网京沪干线，全长2000多公里；变量子态，被通信双方检测到墨子号量子科学实验卫星实现了星地量子通信欧盟和3美国也有大规模量子通信网络计划技术上面临的主要挑战是传输距离限制、环境干扰敏感性和与传统通信基础设施的集成问题目前量子中继器研究取得进展，有望克服距离限制；商业应用主要集中在金融、政府和国防等高安全需求领域人工智能在通信中的应用智能网络优化智能故障诊断智能安全防护人工智能正在彻底改变通信网络优化方式在故障预测和诊断领域带来重大突破随着网络威胁日益复杂，成为网络安全AI AI机器学习算法可分析历史流量模式预测网预测性维护系统利用机器学习分析设备遥的关键工具机器学习模型可识别零日攻络负载，实现自动资源分配；深度学习模测数据，在故障发生前识别潜在问题；异击和高级持续性威胁，超越传统基于签名型能识别隐藏的流量模式，优化路由策略；常检测算法能发现网络中的异常行为，提的防护；行为分析系统能检测出异常用户强化学习应用于动态频谱分配，提高频谱前预警；神经网络可从历史故障案例学习，和设备活动，发现潜在入侵；技术应NLP利用率网络特别依赖进行网络切片建立精确的根因分析模型辅助的自愈用于分析安全日志和威胁情报，提高响应5G AIAI自动化管理，根据服务需求动态调整资源网络能自动执行恢复操作，将网络中断时速度自适应安全架构利用持续监控和AI自优化网络技术使网络能够根据实间从小时级缩短到分钟甚至秒级这些技调整安全策略，应对不断演变的威胁同SON时条件自我调整，减少人工干预，同时降术特别适用于复杂的和云基础设施，显时，安全团队也要警惕对抗性机器学习的5G低能耗和提高服务质量著提高了网络可靠性风险，即攻击者利用的弱点进行针对性AI攻击课程总结知识回顾1本课程系统介绍了网络通信的基本原理和关键技术我们从通信系统基础开始，探讨了信号与系统的核心概念，研究了模拟和数字调制技术，分析了信道特性与噪声影响，学习了信源编码和信道编码方法，讨论了多址接入技术，深入理解了网络协议体系，并关注了网络安全技术最后，我们展望了量子通信、5G、物联网等新兴技术的发展趋势，以及人工智能在通信领域的应用前景学习建议2通信原理学习需要扎实的数学基础，建议强化信号与系统、概率论和线性代数知识理论学习应与实践相结合，可通过软件仿真如MATLAB、Simulink验证通信系统性能；通过硬件平台如SDR设备构建简单通信系统；利用开源工具如Wireshark分析网络协议同时，关注行业标准文档如3GPP、IEEE和前沿研究论文，保持对技术发展的敏感度形成学习小组讨论复杂概念，有助于加深理解未来展望3通信技术正经历前所未有的变革6G研究已经启动，将融合太赫兹通信、智能表面和星地一体化网络，实现泛在互联；量子通信将为绝对安全通信开辟道路；人工智能将深度融入通信系统各层，实现自主优化和智能管理；空间互联网将扩展通信边界，覆盖全球每一个角落这些技术将支撑元宇宙、全息通信、触觉互联网等新应用场景，推动社会数字化转型未来的通信工程师需要跨学科知识和持续学习能力，才能在这一激动人心的领域保持竞争力。