讓我們靠得再近些：通信漫話（簡體書）

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學”趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學知識活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收穫這些鮮活的科學知識！生活在地球村的我們享受著通信技術為我們帶來的“坐地日行八萬里”的便捷：有線通信、無線通信、互聯網、數據傳送……越來越快的網絡速度、越來越好的通話質量、越來越完善的數據信息服務讓我們靠得越來越近，不斷發展的通信技術正在帶領我們進入更快更優質的生活。讓我們一起來瞭解一下最生動、最全面、最先進的通信技術吧！本書適合青少年讀者、科學愛好者以及大眾讀者閱讀。·

施漢昌，博士，清華大學環境學院教授。1982年畢業於清華大學土木與環境工程系。1989～1990年英國水研究中心訪問學者，1994年美國Michigan大學高級訪問學者，2002年加拿大Alberta大學訪問教授，2003年美國Stanford大學訪問教授，2007年瑞典隆德大學訪問教授。長期從事水污染控制的理論與技術研究，在污水生物處理反應器、反應動力學和生物傳感器等方面取得了大量的研究成果，積累了豐富的經驗。多次擔任國家科技攻關項目、“863”項目等重大研究課題的負責人。在國內外期刊上發表學術論文300余篇，曾獲中國環境科學學會“環境科學優秀科技工作者”稱號。·

20世紀人們主要靠固定電話聯絡，21世紀以互聯網和手機為代表的移動通信設備一躍成為通信世界的主角。
井上伸雄編著的《讓我們靠得再近些——通信漫話》以圖解的方式講解了通信的基本技術，并且盡可能涉及了今后將要普及的新技術。專業術語和計算在本書中恐怕是不能避免的，但我們力求讓你在閱讀中感到樂趣、學到知識。因為要想理解通信技術，專業術語和計算仍是最重要的。這是個可以隨時隨地隨意獲取信息的時代，讓我們了解通信技術，做科技潮人！

第1章 有關網絡的基礎知識001 與日常生活密切相關的各種通信網絡002 通過交換機連接線路的電話網絡003 根據電話號碼中的區號選擇交換機004 設定電話號碼的方法005 互聯網通過路由器發送數據包006 移動電話互相連接的基本原理007 電話與互聯網的區別在於電話為帶寬保證型、互聯網為盡力服務型008 模擬通信傳輸的是波形、數字通信傳輸的是“1”和“0”009 從模擬通信網絡向數字通信網絡的過渡010 用於數據通信的數字通信網絡的優點011 寬帶的優點在於高速傳輸012 高速傳輸的真正意義在於可以在短時間內傳輸大量信息013 接入網即光纖014 CATV（有線電視）網絡也可用於通信015 辦公室內的網絡“LAN”（局域網）016 直接連接兩地的高速度、高性能、可靠可信的網絡專線017 網絡拓撲即將網絡的佈局模型化018 雲計算是互聯網的新的使用方式COLUMN 所謂的“網絡”第2章 有關互聯網的基礎知識019 將數據、聲音、圖像信號轉換成數據包後發送020 數據包通信適用於計算機的數據通信021 路由器根據路由表選擇路徑發送數據包022 數據包中的地址將域名轉化為IP地址023 互聯網發生擁堵時數據會延遲的盡力服務型通信024 互聯網擅長數據通信而電話卻不擅長025 通過郵件服務器發送信息的電子郵件的基本原理026 從世界各地的服務器中選擇信息的網絡搜索引擎的工作原理027 互聯網使用的是TCP/IP協議028 互聯網與IP網絡的區別029 將互聯網運用於電話030 從互聯網電話到IP電話031 免費互聯網電話“Skype”的基本原理032 使用VoIP技術的IP電話的基本原理033 組播通信是將相同的信息同時發送給特定的多個用戶034 使用互聯網發送視音頻多媒體035 Video-on-Demand（VOD，視頻點播）的基本原理036 用數據包發送電視信號的IP電視的播放原理037 使用於電話、互聯網、電視的FTTH（光纖到戶）的Triple-play（三網合一）038 以太局域網是在一定區域內使用的高速計算機網絡039 速度不斷提高的以太網040 通過IP-VPN技術，IP網絡可以作為網絡專線使用COLUMN 互聯網始於美國的軍事研究第3章 有關移動電話的基礎知識041 從iPad看無線網的使用方法042 移動電話所使用的無線電波的頻率範圍為800MHz~2.5GHz043 支持移動電話的Cell（蜂窩）通信技術044 實現移動通信的技術045 在半徑10m以下的Cell（蜂窩）範圍內進行通信的Femtocel（l微蜂窩型基站）046 將無線電波分成多個信道後進行多址接入047 使用於3G移動電話的新型多址接入技術“CDMA”048 適用於高速數據傳輸的CDMA技術的特點和優勢049 移動電話的發展時代050 高性能移動電話——智能手機051 費用低廉的簡易型移動電話“PHS”的基本原理052 從第3代移動電話開始高速發展的數據通信053 通過3.5G移動電話實現數據的高速傳輸054 通過適用於高速數字無線傳輸的OFDM技術實現信號的高效率傳輸055 使用多根天線進行高速傳輸的MIMO056 實現100Mbps超高速傳輸的第3.9代移動電話“LTE”057 即將到來的第4代移動電話058 在PHS上實現上行/下行20Mbps的高速數據通信059 Mobile WiMAX是主攻數據通信的移動通信系統060 俗稱為WiFi的無線局域網的規格061 在室外也可以使用的無線局域網的使用方法062 通過移動路由器實現無線局域網設備與基站的連接063 使用移動終端收看One Seg電視064 藍牙為超近距離的無線通信065 非接觸式IC卡的無線通信方式COLUMN 電波等同於電磁波嗎？第4章 信號的傳輸066 多種多樣的傳輸方式067 電波的使用方法068 使用電波實現從接入網到遠距離傳輸的固定無線傳輸069 通信電纜的種類①銅絲電纜070 通信電纜的種類②光纖電纜071 將電信號轉換成光信號072 通過光纜傳輸信號073 ADSL通過電話用戶線實現數據的高速傳輸074 通過FTTH傳輸信號075 通過接入網實現單根電纜的雙向傳輸076 電力線載波通信的基本原理077 在數字信號傳輸過程中會產生誤碼現象078 通過同步使信號頻率一致079 信號調製080 通過調製數字信號實現高速傳輸081 實現語音向數字信號轉換的PCM的工作原理082 將圖像壓縮後傳輸083 通過信號多路複用實現單根電纜的多信道傳輸084 通過人造衛星實現衛星通信085 GPS通過衛星發射的電波來測定位置COLUMN 1bit的大小參考文獻·

每天，我們都在使用著各種各樣的通信方式。
說到通信，我們以前可能只會想到電話和電報。而現如今，移動電話成為主流，除了語音通話，還可以發送電子郵件。即使是移動電話，也已經出現了被稱為智能手機的高性能移動電話。發送文件資料時以前可以使用傳真，而現在已經有被互聯網的電子郵件取代的趨勢。由于電子郵件成本低而且速度快、很容易普及，以至于用紙和筆書寫信的機會也減少了。
相信大家都使用過互聯網的信息搜索功能。以前需要什么信息時我們都會去圖書館，而現在使用網絡搜索引擎，就可以簡單迅速地獲得需要的信息。
使用銀行的ATM機存錢、取錢或匯款時，也是通過通信線路將ATM終端與中心的計算機連接，從而實現各種信息的交換。由于是極其重要的信息，所以一定要使用可信度高的網絡。
除此之外，經常使用的還有通信系統。（在日本）地鐵出站時使用的Suica、PASMO等各種IC卡是通過超短距離無線通信，實現乘車費等信息的互換。高速公路的ETC（電子不停車收費系統）也是如此，為了實現車輛與收費站之間的信息互換，而使用了超短距離無線通信。
如上所示，為了實現各種信息的自由互換，需要使用相應的通信網絡。
與日常生活密切相關的各種通信網絡
網絡中存在多個不同的種類。
各種網絡是根據不同的目的、用途而產生的。
第1章 有關網絡的基礎知識
VE-F39 LUMIX phone 001P iPhone4
圖片提供：Panasonic
圖片提供：SoftBank Mobile圖片提供：Apple Japa語音通話中最常見的座機
移動電話更新換代的腳步不斷加快已經成為智能手機的代名詞
新型筆記本
計算機
圖片提供：Apple Japan
圖片提供：東日本旅客鐵道株式會社提供
移動購物的好朋友
Macbook Air
bizhub 423
Suica
已成為現代辦公室基本設備的數碼復印機
圖片提供：柯尼卡美能達
株式會社
圖1 各種通信終端
通信網絡的基礎在于從使用網絡的眾多用戶中選擇一個用戶自由收發信息。要理解其中的原理，最簡單的方法就是先了解電話的工作原理（圖1）。
家里安裝的電話是通過電線（電纜）和離家最近的電話局里的交換機連接的。交換機上有多個開關節點，這些開關節點的功能在于按照被叫號碼，使呼叫方電話的電話線與被叫方電話的電話線連接。電話與電話連接后就形成了一個完整線路，語音通過電流從一方傳輸到另一方后就可以通話了。
圖1 a為通話雙方連接于同一臺交換機的情形。然而，由于1臺交換機可覆蓋的范圍僅為半徑5km以下的區域（稱為覆蓋范圍），如果我們要給這個范圍以外的人打電話，就必須如圖1b所示，通過傳輸線連接呼叫方交換機與被叫方交換機，同時使各交換機的開關節點與各自的電話處于連接狀態，兩臺電話之間的電流才可以暢通無阻。
現在我們來看看小P給小Q打電話時的場景。小P撥了小Q的電話號碼“35-××××”之后，交換機A根據區號“35”將通向交換機B的線路接通，交換機B將通向相應電話號碼“××××”的線路接通。于是小P和小Q之間的線路全部接通，兩人就可以通話了。
四位數“××××”是與交換機B相連的小Q的號碼，稱為用戶號碼。
“35”是設有交換機B的電信局的號碼，也就是區號。就是這樣，根據電話號碼這一地址選擇出對象、連接上線路就可以實現通話了。
002 通過交換機連接線路的電話網絡
交換機根據電話號碼連接上相應的開關節點。
交換機通過電話線路連接呼叫方與被叫方，形成電話網。
第1章 有關網絡的基礎知識
P
Q
P
Q
a
b
電話
用戶線
交換機
電話
用戶線
交換機A
交換機B
開關節點
連接上交換機的開關節點后，電話P和Q之間接通電流可以通過的一個完整線路34-△△△△35-××××撥打號碼“35-××××”區號“34”區號“35”中繼線（傳輸線）給遠距離的人撥打電話是通過兩臺交換機來連接線路的。
如圖所示，電話和電話之間通過交換機的開關切換形成完整線路的方式稱為“線路切換”
名詞解釋
用戶線 連接電話和交換機的線路。
中繼線 連接交換機和交換機的線路。
圖1 通過交換機的開關節點連接用戶之間的線路
（002）中所描述的是市內電話連接的基本原理。撥打遠距離長途電話時，須在如圖1所示的兩臺交換機之間加入交換機進行中轉。
例如，在東京和大阪之間加入一臺中轉用交換機，由于無論是在東京還是在大阪，各自都設有多臺交換機，將這些交換機與中轉用交換機連接后再集中傳輸信息的方式可以大大提高傳輸的效率。這與使用鐵路從東京去大阪一樣，乘客先在東京車站集合，然后乘坐新干線到達大阪，再分別去往各自的目的地。與電話直接連接的交換機（圖1中的交換機A和D）稱為用戶（線）交換機（Local Switch，LS），在交換機與交換機之間起到中轉作用的交換機（圖1中的交換機B和C）稱為中轉交換機（Transit Switch，TS）。
例如，讓我們來看看東京的小P給大阪的小Q打長途電話時的場景。如圖2所示，小P撥了小Q的電話號碼“06-6543-××××”之后，小P所屬的交換機A通過第一個數字“0”判斷出這是長途電話，于是將其連接到中轉交換機（長途交換機）B。交換機B通過第二個數字“6”判斷出這是打往大阪的長途電話，于是將連接大阪中轉交換機C的線路接通。交換機C根據接下來的數字“6543”（市內區號），將與這一號碼對應的交換機D相連接的線路接通。最后，交換機D呼叫用戶號碼為“××××”的小Q，從而實現通話。圖中雖然只列出了4臺交換機，實際上卻存在多于4臺或少于4臺的情形。
為實現上述的通過多臺交換機連接，各交換機必須互相協作，連接開關節點。交換機都是計算機控制的，為使計算機在收到撥叫信號后能夠互通控制信號，需要建立公共信道信號網（圖1）。
003 根據電話號碼中的區號選擇交換機
交換機分為用戶線交換機和中轉交換機兩種。
撥打長途電話時需要使用多臺交換機。