通信網

通信網：在分處異地的用戶之間傳遞信息的系統。屬於電磁系統的也稱電信網。它是由相互依存、相互制約的許多要素所組成的一個有機整體，以完成規定的功能。通信網的功能就是要適應用戶呼叫的需要，以用戶滿意的程度溝通網中任意兩個或多個用戶之間的信息。

通信網在設備方面有三種要素。

①末端設備(又稱用戶設備)：用戶與通信網之間的介面設備，可把用戶的消息與收發的電信號相互轉換。

②傳輸系統：傳輸電信號的通道，包括有線、無線、光纜等線路。

③交換設備：在終端之間和局間進行路由選擇、接續控制的設備。為使全網能合理協調工作，還要有各種規定，如質量標準、網路結構、編號方案、信令（也稱信號）方案、路由方案、資費制度等。

以通信網這樣一個大系統為對象，在統籌兼顧的原則下根據客觀條件進行擇優的理論。它吸取系統工程中的概念、原理和方法，從50年代開始經過不斷開拓，理論漸趨完整。通信網理論一般藉助數學模型來考慮問題。因涉及的因素太多，只能把它分成各種特定問題分別進行研究。一個特定問題只考慮與它有關的主要因素，而把其餘的因素看作固定不變或可以忽略不計。採用數學模型應盡量借鑒已有的適合於特定問題的標準模型，特別是運籌學中的數學模型。

數學模型

用字母、數字和其他符號來體現真實事物的組成要素以及它們之間的關係。數學模型按用途可分為預測模型、描述模型、優化模型、評價模型等。

①　預測模型：為了弄清楚要解決的問題，應對需求和環境進行調查，收集和整理需要的數據。通信網的調查項目一般包括：用戶分佈，業務需求情況，設備性能和費用，技術、地理和資源條件等。調查往往要對未來可能發生的事件進行推測，推測時採用預測模型，用來列出事件的因果關係。所用的理論有數理統計等。

②　描述模型：針對要解決的問題首先擬定方案(即綜合)，然後通過分析看方案能達到目標的程度。通信網的目標一般有：費用、容量（吞吐量）、呼損率、時延、可靠性等。分析時採用描述模型，以表示方案中哪些因素與目標有關係並在什麼條件下有什麼關係。所用的理論有可靠性理論、排隊論、更新論等。

③　優化模型：為了在一定的約束條件下使方案最理想地達到預期目標，可對多種方案進行分析比較，加以修正，最後得出最優方案。在目標單純的情況下，也可一次採用優化模型求解。優化模型又可分為網路模型和數學規劃模型兩種。網路模型是使用圖的數學模型，其中的點稱為節點，表示交換中心和終端；其中的線稱為鏈路，表示傳輸通路。還可在節點和鏈路上附加參量，如費用、流量等，這稱為加權。這種模型可用圖論方法求解。數學規劃模型是使用代數方程的數學模型，以可控變數和不可控參量列出目標函數和各種約束條件，視變數在模型中的形式，可分別用線性規劃、整數規劃、非線性規劃、動態規劃等求解。

④　評價模型：通過優化得到的備選方案，須根據評比準則進行全面評價和最後決擇。這種情況採用評價模型，所用的理論有價值理論、決策論、對策論等。四種模型中最核心的是優化模型，採用優化模型求解的特定問題有網流問題、連通問題、定位－分配問題、流量分派問題、擴充問題等。

網流問題

認為網中只傳輸一種業務流(單商品流)並且是穩定的，在一定要求下確定業務流在網中各處的有無或多少，一般採用網路模型求解。這方面有兩種基本情況。①最短路徑問題：在給定每個鏈路長度（或費用、時延等）的情況下，找出從一節點到另一節點經過哪些鏈路的路徑最短。這種情況可在建立資費價目表和選擇適應路由時應用。②最大流問題：給定每個鏈路的容量（或帶寬、速率等），在鏈路流量不超過鏈路容量的約束條件下，找出從一個節點到另一節點經過哪些鏈路可得到最大流量。這種情況可在某些通信系統，如指揮控制網和時分網中應用。

連通問題

給定一組固定地點，諸如一些終端設備和計算機所在的城市或者若干微波終端站的站址，已知各點之間的線路費用，要把這些地點用線路連通而使全部線路費用最少，這在圖論中稱為最小生成樹問題，可用網路模型求解。這個問題或許還要受到某些約束，典型的約束或是鏈路業務流量不能超過鏈路容量，或是終接在一個特定節點（計算機）上的每個連通分段中的終點（終端）數目不多於若干個。

定位－分配問題

給定用戶的位置，在傳輸損耗、地理限制等約束條件下，已知單位距離的線路費用和單位容量的交換設備費用，找出交換局的數目和位置以及用戶與哪個交換局相連而使全網費用最少，可採用數學規劃模型求解。但精確求解這個問題則要求相當多的計算時間，一般把它分成定位和分配兩個子問題分別求解，但由於這兩個子問題存在著相互作用，要把分別得到的結果在兩個子問題之間反覆迭代，才能取得整個問題的最優解。

流量分派問題

給定網路設備配置情況、交換局間業務量需求、線路容量與費用之間的關係，保持全部費用不超過一定限定而使接續指標（呼損率或時延）最優，或者對接續指標設定一個限度而使全部費用最少，找出各個線路的流量和容量。這種情況應認為同時存在多種業務流並且是隨機的。首先根據交換方式利用排隊論找出接續指標與線路容量和流量之間的關係，然後把問題列成數學規劃模型，按有約束的非線性規劃求解。

擴充問題

由於資金、人力等資源的限制，再加上業務需求和技術進步是逐步增長的等因素，必須分期分批地進行通信網的建設。擴充問題就是確定何時何地需要安裝何種設備以及這種設備的數量，以使整個規劃期間的總費用最少。這種情況要預測需求業務量隨時間的增長率，還要考慮貨幣因利息而產生的時間價值。然後把問題列成多階段的數學規劃模型，採用動態規劃求解。

通信網可從不同角度分類：按業務內容可分為電報網、電話網、圖像網、數據網等；按地區規模可分為農村網、市內網、長途網、國際網等；按服務對象可分為公用網、軍用網、專用網等；按信號形式可分為模擬網、數字網等。

電報、電話相繼問世后，工業發達國家先後著手建立電報和電話通信網。電話網發展迅速，到20世紀初在一些國家內已具有相當規模。以後出現的非電話業務，如載波電報、傳真電報、用戶電報等，大多是以已有的電話網為基礎而建立的。隨著電子計算機的廣泛應用，世界上興起了數據通信，建起了大量的專用數據網。60年代末，還建成了世界上第一個公用數據網。早期的數據網主要是直接使用現有電話網或租用它的部分線路而構成的。由於數據通信使用數字信號，而電話通信使用模擬信號，兩種信號對通信網的要求不同，因而在模擬網上傳輸數據存在著質量差、效率低等缺點。用數字信號進行通信，具有失真小、抗干擾性強等優點，這促進了脈碼調製技術的發展，採用這種調製，可把電話、傳真、電視的模擬信號變成數字信號進行傳輸。

70年代，長距離、大容量的數字通信技術進入實用階段。

70年代中期，世界上開始出現數字化的數據網。新興的數字網和傳統的模擬網已形成了並存和兼容的局面，並逐步向綜合業務數字通信網過渡。

通信網是為用戶服務的，應能迅速、準確、安全、經濟地傳遞信息。為此，必須規定某些技術標準。技術標準一般包括傳輸標準、接續標準和穩定標準三種。

①傳輸標準（準確性）：表示通信的再現質量，電話通信用清晰度等指標來量度，電報、數據通信用誤碼率來量度。

②接續標準（迅速性）：表示接通的難易程度，用呼損率和延遲時間來量度。

③穩定標準（安全性）：表示在發生故障和異常現象時維持通信的程度，用可靠性、可用性等指標來量度。

通信網中分系統及其設備的技術指標是根據全程全網技術標準進行分配得來的。

終端設備的數目和位置一般是給定的，網路結構是指交換設備和傳輸通道的容量和配置。這些是與業務量分佈情況、接續標準、穩定標準以及交換設備與傳輸通道之間的費用比等因素有關的。網路的類型有多種。星狀網多在交換局分散並且各局間的業務量較少時，或者傳輸費用高於交換費用時採用，如用於長途電話網。網狀網多在近距離或雖然距離長但業務量多時，或者傳輸費用低於交換費用時採用，如用於市內電話網。鏈狀網和環狀網需要具備多級中繼交換功能，但結構比較簡單，傳輸通道可以公用，業務量處理效率高，主要用於數據通信網。環狀網可在兩個方向上通信，因而可靠性有所提高。蜂窩網和柵格網結構比較複雜，但因路由選擇的自由度大，業務量處理效率高，可靠性也高，多用於移動通信網。多柵格網和多面體網由於路由眾多，提高了可靠性，多用于軍事通信網。通信網規模大時，一般把全區分成若干等級的分區，而在各分區內和各分區間逐級各取最佳的結構。

對用戶進行編號是為了向交換設備提供必要的路由選擇和用戶識別的信息。這與末端設備的數量、地理分佈、業務種類、交換功能和計費功能等有關。編號可由數字、文字、符號等組成。電話網常用數字編號，數據網常用字元編號。編號按分派方法可分為閉鎖編號和開放編號兩種。對全區的用戶各分派一個位數相同、排列各異的固定編號，這種方式的編號稱為閉鎖編號，它適用於小規模的通信網。通信規模大時，一般將全區分成若干分區，對分區內的用戶分派該區限定的閉鎖編號，對分區外的用戶在原閉鎖編號上附加地區識別碼，這種方式的編號稱為開放編號。這樣，可避免在通信頻繁的近距離用戶之間使用過長位數的編號。由於新業務的不斷增加，新的編號方案還包括通信網別、業務種類等識別碼。

為了完成通信網的接續動作，必須在用戶與交換機之間以及交換機相互之間傳輸各種信令。在用戶和交換機之間傳輸的信令，稱為用戶線信令，它反映用戶設備的啟用和停用情況；在交換機之間傳輸的信令，稱為交換網信令，它控制呼叫的接續和拆線。隨著通信技術的發展，從簡單的人工交換直到用戶直撥的自動交換，逐步形成了多種信令方案。信令的種類與服務要求有關，而信令的形式則與交換、傳輸系統的類型和性能有關。

任何方案都應具備下列三種功能：①監測功能，即檢測或改變某些部件的狀態或條件；②選擇功能，即保證呼叫接續過程的建立；③運行功能，這取決於管理方針，一般能檢測和傳輸有關網路擁塞的信息，提供計費信息、故障告警信息等。

路由選擇的目的在於提高傳輸通道的利用率，但也會相應地增加交換設備的複雜程度，因而一般要根據業務量的流動情況兼顧二者。

路由方案大體可分為固定、迂迴、隨機和適應四種：

①固定路由：對每組收發信局事先規定一個路由，其控制簡單，但在路由選擇上無靈活性。

②迂迴路由：對每組收發信局事先規定多個路由，按規定順序進行選擇，控制稍複雜，在電話網中廣泛地採用。

③隨機路由：事先無規定而是隨機地選擇路由，雖然業務量處理效率不高，但受網路形態、業務量條件等變化因素的影響小，因此靈活性、可靠性都高，可用于軍事通信。

④適應路由：適應時刻變化的周圍條件而動態地進行路由選擇，多用於業務量變化大的數據通信網。