通信原理 实验三AMI

通信原理 实验三AMI（共8篇）

通信原理 实验三AMI 篇1

实验三

AMI/HDB3码型变换实验

一．实验目的

1.了解二进制单极性码变换为 AMI/HDB3 码的编码规则； 2.熟悉 HDB3 码的基本特征；

3.熟悉 HDB3 码的编译码器工作原理和实现方法； 4.根据测量和分析结果，画出电路关键部位的波形。

二．实验器材

1.JH5001通信原理综合实验系统 2.20MHz双踪示波器 3.函数信号发生器

三．实验内容

1.AMI码编码规则验证

将输入信号选择跳线开关KD01设置在M 位置（右端）、单/双极性码输出选择开关设置KD02设置在2_3 位置（右端）、AMI/HDB3编码开关KD03设置在AMI位置（右端），使该模块工作在AMI码方式。

(1).将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。用TPD01同步。同时观测输入数据TPD01和AMI输出双极性编码数据TPD05波形，如图3.1所示；同时观测输入数据TPD01和AMI 输出单极性编码数据TPD08波形，如图3.2所示；

(2).将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02 设置在1_2 位置（左端），产生15 位周期m 序列。用TPD01同步。同时观测输入数据TPD01和AMI输出双极性编码数据TPD05波形，如图3.3所示；同时观测输入数据TPD01和AMI 输出单极性编码数据TPD08波形，如图3.4所示。

图3.1 7位m序列双极性

图3.2 7位m序列单极性

图3.3 15位m序列双极性

图3.4 15位m序列单极性

分析：经过对上述波形的分析，输入和输出基本满足了AMI码编码规则，+1和-1交替出现。且7位m序列与15位m序列对应的波形基本一致，只是15位m序列波形宽度变窄。

2.HDB3码变换规则验证

(1).将KD01设置在M位置，KD02设置在2_3位置，KD03设置在HDB3位置；(2).将KX02设置在2_3位置，观测TPD01和TPD05波形及TPD08波形，用TPD01同步,分别得到7位m序列双/单极性波形图，如图3.5和图3.6所示；(3).将KX02设置在1_2位置，重复上述测试步骤,可得到15位m序列双/单极性波形图，如图3.7和图3.8所示；

(4).使输入数据端口悬空产生全1码（方法同1），重复上述测试步骤，可得到全1码双/单极性波形图，如图3.9所示；(5).使输入数据为全0码（方法同1），重复上述测试步骤，可得到全0码双/单极性波形图，如图3.10和图3.11所示。

图3.5 7位m序列双极性

图3.6 7位m序列单极性

图3.7 15位m序列双极性

图3.8 15位m序列单极性

图3.9 全1码双/单极性

图3.10 全0码双极性

图3.11 全0码单极性

分析：经过对上述波形的分析，输入和输出基本满足了HDB3码编码规则，最多只有3个连零。且7位m序列与15位m序列对应的波形基本一致，只是15位m序列波形宽度变窄。

3.HDB3码译码和时延测量

(1).将KD01设置在M位置，KX02设置在1_2位置，KP02设置在HDB3位置；(2).观测TPD01和TPD07波形，用TPD01同步，如图3.12所示；(3).将KX02设置在2_3位置，重复上译步骤测量，如图3.13所示。

图3.12 15位m序列

图3.13 7位m序列

分析：15位m序列的HDB3编码和译码的数据时延是0，7位m序列的HDB3编码和译码的数据时延是100us。

4.HDB3编码信号中同步时钟分量定性观测

(1).将KD01设置在M位置，KX02设置在1_2位置，KP02设置在HDB3位置；(2).将KD02设置在2_3位置，测量TPP01波形，如图3.14所示；然后将KD02设置在1_2位置，观测TPP01波形变化，如图3.15所示；

(3).将KD02设置在2_3位置，使输入数据为全“1”码，重复上述测试步骤，分别得图3.16（KD02在2_3位置）和图3.17（KD02在1_2位置）；

(4).使输入数据为全“0”码，重复上述测试步骤，分别得图3.18（KD02在2_3位置）和图3.19（KD02在1_2位置）。

图3.14 15位m序列单极性

图3.15 15位m序列双极性

图3.16 全1码单极性

图3.17 全1码双极性

图3.18 全0码单极性

图3.19 全0码双极性

分析：HDB3码编码信号转换为双极性和单极性码中双极性的码型时钟分量更丰富。全1码和全0码单极性时钟能量丰富，双极性时钟能量小。

思考：HDB3码与AMI码都是单极性时钟能量丰富，双极性时钟能量小。只是AMI中具有长连0码格式的数据在AMI中失步，无时钟能量。

5.HDB3译码位定时恢复测量

(1).将KD01设置在M位置，KX02设置在1_2（或2_3）位置，KP02设置在HDB3位置；

(2).先将KD02设置在2_3位置，测量点TPD02和TPD06波形，用TPD02同步，如图3.20所示；然后，再将KD02设置在1_2位置，观测TPD02和TPD06波形，如图3.21所示；

(3).将KD02设置回2_3位置，再将跳线开关KD01拨除，使输入数据为全1码（方法见1）。重复上述测试步骤，如图3.22（KD02设置在2_3位置）和图3.23所示（KD02设置在1_2位置）。

图3.20 m序列单极性

图3.21 m序列双极性

图3.22 全1码单极性

图3.23 全1码双极性

分析：m序列和全1码单极性时，收发时钟同步；双极性时，收发时钟不同步。

思考：接受端为便于提取同步型号，需要对收到的HDB3编码信号做何处理？

答：双/单极性变换器及相加器构成一个整流器，HDB3码经全波整流后得到的正脉冲信号中含有位同步信号频率离散谱。

四．实验思考题

1.总结 HDB3 码的信号特征

答：（1）由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量。

（2）HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号。（3）编码规则复杂，但译码较简单。它的编码原理为：先把消息代码变换成AMI 码，然后去检查AMI 码的连0 串情况，当没有4 个以上连0 串时，则这时的AMI 码就是HDB3 码；当出现4 个以上连0 串时，则将每4 个连0 小段的第4 个0 变换成与其前一非0 符号（＋1 或–1）同极性的符号。显然，这样做可能破坏“极性交替反转”的规律。这个符号就称为破坏符号，用V 符号表示（即+1 记为 +V,-1记为–V）。为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻V符号也应极性交替。这一点，当相邻符号之间有奇数个非０符号时，则是能得到保证的；当有偶数个非0符号时，则就得不到保证，这时再将该小段的第1个0变换成+B或-B符号的极性与前一非0符号的相反并让后面的非0符号从 V 符号开始再交替变化。

五．心得体会

实验中因为仪器以及接线问题，示波器没有接收到输入信号，我们做第一个选作内容AMI码编码规则验证时就遇到了仪器问题。我们选择先做了实验四再回头做了实验三的非选作部分。因为只有上午和下午的时间，到了下午一直遇到仪器问题，心里多多少少有点着急。还好在下课前做好了实验。老师统计了一下大家在实验过程中遇到的问题，我们所在的5号仪器确实有问题。通过本次实验，我们更进一步了解了二进制单极性码变换为AMI/HDB3码的编码规则，HDB3码的时延特性、同步时钟分量定性观测以及它的位定时恢复测量。也培养了我们的耐心。

通信原理 实验三AMI 篇2

(一) 改革理论教学, 突出数字通信

理论教学与实践教学是相辅相成的, 理论教学为实践教学提供理论基础, 而通过实践教学可以反映理论教学的效果。要想提高课程的实践教学质量, 首先应从理论教学开始。而通信原理课程的教学大纲规定, 要求学生掌握通信系统的基本原理, 尤其是数字通信的原理, 使学生具有深入研究和掌握现代高新通信技术与理论分析的能力。为了达到这个要求, 确定了课程内容改革的重点在于三点:1.以数字通信为重点。模拟通信的内容在高频电子线路课程中已讲过, 随着数字电路的发展和超大规模集成电路生产水平的提高, 数字通信是发展的目标。所以通信原理课程要以数字通信为重点, 精简教学内容, 同时要使教学内容具有实用性和先进性, 在课程中主要讲解数字通信, 介绍以数字通信原理为理论依据的现代通信原理。2.增加数字载波调制技术的内容。随着移动通信、卫星通信和计算机通信技术的发展和广泛应用, 新的数字载波调制技术不断涌现, 应重点介绍新的数字载波调制技术, 例如计算机通信中广泛应用到的数字载波调制技术, 而对二进制幅度、频移和相移键控原理只作简单介绍。学生通过先进数字调制解调技术的学习, 对及时熟悉和掌握新的数字载波调制技术和先进的通信原理很有必要。3.注重通信理论和典型系统的结合。现代通信日益向着高速化和网络化方向发展, 为了使学生对现代通信有一个系统的了解, 有必要着重介绍几个典型数字通信系统, 例如GSM和CDMA方式的数字蜂窝移动通信系统及数字无线寻呼系统, 让学生了解这些具体数字通信系统采用的调制解调技术, 把数字通信理论和实际数字通信系统有机地结合起来。

(二) 改革实践教学, 提高实验水平

通信原理实验教学一直存在着实验内容陈旧、实验手段落后等问题, 以往的实验内容主要是FSK、PSK、PCM等几个典型的验证性实验, 主要满足于验证理论结果, 学生处于被动地位, 积极性不高, 实验效果不好。为此, 改用以学生为主体的验证性+设计性实验的教学方法, 强调理论与实践相结合。

1. 结合EDA技术教学, 加强学生应用能力培养。

与传统的实验方式相比较, 采用EDA技术进行电子线路的分析和设计, 突出了实验教学以学生为中心的开放性和综合性的特点。此外由于EDA软件向用户提供了多种测试仪器和分析工具, 节省了设计经费, 缩短了设计时间, 提高了设计的效率。因此, 把EDA课程教学与通信原理实践教学结合起来是适应信息技术发展的需要, 也是高等教育实践环节教学改革的必然趋势。具体设计题目包括数字基带传输系统、数字频带传输、模拟信号的数字化传输、汉明码/循环码的编译码、位同步等等。学生可以根据自己的兴趣, 围绕通信原理课程知识自由选题。利用EDA设计软件MAX+plusⅡ, 采用VHDL编程, 并将程序通过计算机串口下载在EDA实验箱上, 以验证各设计的仿真结果。例如, 由EDA设计软件可实现PCM的A律压缩编码器设计, 其仿真结果如图1所示。

2. 引入SystemView仿真软件改革实验教学环节。

在实验教学环节, 除了要求学生先完成必要的几个验证性实验, 如PSK通信系统、PCM编码译码实验外, 还重点要求学生理解这些实验的原理与实际电路是如何相结合的。例如通信原理理论教学中的调制过程用了乘法器, 那么在实际通信系统中乘法器是如何实现的, 学生完成验证性实验后就可进行设计性实验。为了使得设计性实验能够顺利开展, 需加入由通信系统仿真软件实现的虚拟实验, 使学生更好的理解相关通信系统的基本原理。实验项目可以主要集中在数字通信部分, 也可以设置一些对典型通信系统的仿真, 通过改变具体的参数, 观察输出信号的波形能否达到设计的要求, 从而更好的理解通信系统中的基本概念、原理。具体设计题目包括模拟频率调制系统设计和分析、数字基带传输系统的码间干扰和眼图观测、数字频带传输系统 (2ASK, 2PSK, 2DPSK, 2FSK) 的设计和分析、PCM编码解码系统、线性分组编码、扩频通信系统的仿真等。以2FSK传输系统为例, 借助典型通信系统仿真软件SystemView, 其调制信号和解调信号仿真波形如图2、图3。

3. 引入MATLAB软件改革实验教学环节。

长期以来通信原理课的基础实验创新不多, 各厂家或院校设计制造的实验设备采用的实验方法雷同, 大部分实验项目都选择了专用芯片或大规模可编程逻辑电路, 很大程度上限制了对实验过程的可操作性。经常是某些实验学生按照老师指导或根据实验指导教材做完实验之后, 不知实验结果缘何而来, 根本没能起到用实验来验证理论知识, 进而达到巩固课堂知识的目的。针对这些不足, 将MATLAB/SIMULINK可视化动态仿真应用到通信原理课程的实验教学中, 使一些抽象的概念和原理可视化, 有助于学生理解和接受, 既提高了教学质量和效率, 又可为学生提供良好的通信系统开发、设计、模拟、调试和分析平台, 锻炼其分析和解决问题的能力。以高速率无线通信系统中多载波数据通信OFDM技术的仿真分析为例, 其在对数坐标下的PSD仿真波形如图4所示。通过仿真系统设计与分析, 可以帮助学生理解OFDM信号产生原理和频域特性, 从而验证OFDM是一种有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术。

4. 引入LabVIEW软件改革实验教学环节。

以EWB/Multisim等为代表的硬件仿真, 从系统的硬件实现角度仿真实际电路。以MATLAB/Simulink、SystemView等为代表的软件仿真是抽象的、原理级仿真, 没有相应的硬件支持。通信原理实验课程应由软件仿真实验系统、硬件实验系统和虚拟实验系统组成为三位一体的实验体系, 前两类仿真各自独立进行, 两者之间缺乏联系和衔接, 使学生感觉理论和实际之间有距离, 没有既能实现原理级仿真, 又可作为硬件实现的通信平台将理论和实际衔接起来。为解决上述教学改革中突出的热点、难点问题, 结合通信系统的构成具有模块化的特点, 可以采用虚拟仪器开发工具LabVIEW实现通信原理虚拟实验系统教学环节, 为高校通信原理课程的教学提供新的途径, 为课程的理论教学、实验、课程设计、毕业设计和科研提供支持, 具有广泛的应用前景。以多通道通信系统滤波处理实验为例, 其系统加入带通滤波器的星座图如图5所示。通过LabVIEW软件设计, 有效帮助学生理解滤波处理在消除频谱泄漏、缩减通道宽度和消除邻通道间干扰等方面的重要性。

实验教学的目的是在教学内容上力求与实际的通信系统相结合;在教学模式上力求把以教为主的教学模式转变为以学为主的教学模式, 通过对通信原理课程的实验教学改革, 达到了培养学生主动性和创造性的目的。教改方案已在学校06级、07级电子信息工程专业中实施, 在实践教学中取得了明显的效果, 学生在整个学习过程中处理问题的能力与过去相比得到了较大的提高, 对教学质量的提高和应用型人才的培养非常有益, 得到了学生的好评。

参考文献

[1]樊昌信, 曹丽娜.通信原理[M].第6版.北京:国防工业出版社, 2006.

[2]王福昌, 熊兆飞, 黄本雄.通信原理[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[3]邓小芳, 田克纯.“通信原理”课程教改探索与实践[J].桂林电子科技大学学报, 2007.08:303-305.

[4]章帆, 覃永新, 苏珊.EDA技术在通信原理课程设计中的应用[J].科技信息, 2008, Vol33:598-599.

通信原理 实验三AMI 篇3

[关键词]通信原理实验 实验效果 改进

通信技术的快速发展，要求通信专业的学生和科技人员不但要掌握扎实的理论基础，还应具有较强的工程概念和动手能力及开拓创新和快速适应工作的综合能力。《通信原理》是通信工程专业的重要专业基础课，内容广、难度大，为保证课堂教学效果，让学生牢固掌握基础理论，扎实培养学生分析解决通信基本问题的能力和积累一定的方法，配有相应的实验课程。传统的本科通信原理实验课程多以实验箱进行验证性实验为主，只需学生在相应的接口中插入导线，按照实验指导书的步骤正确连接即可实现，使得学生的实践动手能力得不到充分的锻炼，也起不到通过实验加深理论的作用。针对这个问题，有部分高校进行了改革，如采用EDA平台进行通信系统仿真设计[1]和FPGA平台+单片机进行系统设计[2]，但由于学时、条件等方面的限制，往往不能在通信原理实验课程中实现，而只能在通信专业课程设计环节中完成这方面的教学工作，对实验课程的效果改进帮助不大。

通信原理实验教学改进的基本思路

通信原理实验的学时数多为16-20学时，实验时间是在课堂教的相关内容结束以后交叉进行，能够进行8个验证性实验和1个综合性实验，典型的实验内容为PAM调制与解调、PCM调制与解调、FSK调制等项目，由通信原理实验箱实现。

我们在通信原理实验课程中选用的实验箱是南京恒缔公司的HDB621B，该实验箱能够满足验证性实验的基本要求。为了进一步提高通信原理实验环节的教学效果，在现有的实验学时的条件下，需要挖掘原有的实验设备的潜力。HDB621B实验箱采用模块化的结构，单次实验中学生只能使用其中某一部分，还不能模拟设计一个接近真实的通信系统，学生的实验侧重在数字技术，对一些常用的模拟技术并不涉及，这跟现在的通信原理教学大纲不是很相符，也欠缺对学生的综合设计能力的训练。在实验过程中，学生按照该实验箱配套的实验指导书规定的步骤，可以完成一系列通信原理实验。由于众所周知的原因，验证性实验的主要缺点是扩展性、操作性不强，学生除了按照事先规定好的步骤完成实验外，并不能根据实验原理实现额外的操作，只能被动地实验，其结果是完成实验以后，学生可能记录了大量的实验数据和波形，但是对这些数据的产生原理和目的，却没有一个深入的理解，实验效果也就无从谈起。

针对上述问题，在不额外购置新实验设备的情况下，较好的作法是深入挖掘原有实验箱的潜力，结合通信原理课程的特色，对实验箱进行改进。例如，实验箱原有的各种载波信号都是固定不变的，而这些载波信号是由高频振荡电路生成并引入各个模块，于是可以将原有的高频振荡电路中的电容由固定电容替换成可变电容，以此来获取各种不同的载波信号，学生可以自己改变可变电容的值，获得各种欠调节或过调节信号，经过与理想调制信号相比较，能够有一个更加深入的实验效果。在每次实验之前，由实验指导教师，将改进之处的电路结构和原理解释清楚，并要求学生着重加强在改进步骤处的实验，同时，指导教师应该强调在实验报告中对这部分内容的总结，以达到更好的实验效果。

对PAM实验的改进

PAM(Pulse Amplitude Modulation脉冲幅度调制)实验是通信原理实验的第一个系统性实验，下面将以这个实验为例说明本文所提及的对实验电路改进的方法。该实验的原理是利用抽样脉冲去调制基带信号，将幅度连续的模拟信号转换成幅度离散的已调信号，奈奎斯特低通抽样规定当抽样频率大于等于两倍的信号最高频率时，可以实现无失真抽样。在实验箱中，由555定时器生成了16kHz的方波信号作为抽样脉冲，但由于振荡电容固定，此方波信号的频率不可变。学生在做这部分实验的时候，只能得到一个16kHz的已调信号，过程和结果比较单调，不会产生很大的实验兴趣。

为了加深实验效果，可以将电路进行如下改进，将图1中CA601处的电容焊下，引出两个触点，在做PAM实验的时候提供一个可变电容箱给学生，要求他们在实验中将电容箱接入CA601对应的触点，并调节电容箱输出电容的大小，因为CA601电容是555定时器的输入振荡电容，就可获取多个不同频率的抽样脉冲，例如小于信号频率、约等于2倍信号频率和远大于两倍信号频率这3种信号，以这些抽样脉冲去调制原始信号，会产生过调、欠调和正好匹配的三种情况。于是，学生可以从实验结果波形(图2)明显感受到低通抽样定理的作用，实验效果良好。

图1 555定时器生成抽样脉冲电路图

（1）欠调信号 （2）过调信号 （3）适调信号

图2 PAM实验结果波形

在上述改进方法中，电路的改进只是一个方面，更为重要的一个环节是对学生的实验指导，任课教师在每次开始实验之前，应将改进的原因结合实验对应的通信基本原理进行详细说明，并要求学生按照实验原理自己设计频率范围，做到在实验的时候心中有数，而不是老师说什么学生就做什么，只有这样，才能更好的将实验与课程内容相结合，提高做实验的效果。

总结

本文主要论述了对通信原理实验的一些改进思路，归纳起来主要有以下几点：(1)综合考虑实验学时和设备的限制，在不对原有系统进行大规模更新的条件之下，对已有实验箱进行简单改造，成本低、见效快。(2)在验证性实验中依托通信原理的基本内容引入部分设计性元素，增强实验的操作性。(3)起到了良好的互动作用，可以部分地解决实验教学中以老师为中心的传统教学方法的缺点，充分调动学生的主动能动性，激发学生在实验之后主动去理解实验原理的热情。实践证明，在对通信原理实验进行改进之后，学生对通信原理实验的积极性和兴趣性都很高，从实验环节反馈到课堂教学环节的收获也有所提高，实验效果显著改善。

项目基金：贵州省科技基金(黔科合J字[2007]2201号),贵州省精品课程项目（2007）。

参考文献:

[1]张秀丽,鲍程红.通信原理综合性实验项目的设计与实践[J].宁波工程学院学报，2007，(12):14-17.

[2]寇艳红.通信原理开放性实验项目设计[J].实验技术与管理，2005，22(11):105-107.

[3]樊昌信，等.通信原理(第6版) [M]. 北京:国防工业出版社,2008.

通信原理实验改革探究 篇4

摘要本文在教学改革实践的基础上,对通信原理实验进行了教学改革探究。旨在更好地配合理论教学,加强学生对通信原理基本理论知识的掌握,培养学生的再学习能力、创新意识和动手能力。本文从通信原理实验课的特点出发,在实验内容、实验平台、实验教学和实验管理四个方面制定了系统的教学改革方案并进行了尝试,取得了良好的教学效果。

中图分类号:G420文献标识码:A

创新能力社会经济的飞速发展要求当代大学生具备更高的知识掌握和运用能力,为更好的适应社会和工作需求,他们必须练就自学习能力、创新能力、实践动手能力和科研开发能力,对知识做到学以致用,会学会用。实验是对学生的再学习能力和实践动手能力培养的最有效手段之一,在辅助教学中起着至关重要的作用,因此对实验进行教学改革是各高校教学改革的当务之急。本人凭借多年的理论和实验教学经验,结合本校理论和实验教学现状,不断探索研究,提出了一系列的实验教学改革方案并将之应用于实际教学过程中取得了良好的教学效果。现将改革重点总结如下,希望能对同行有所帮助。实验内容改革

以前我们的通信原理实验主要是验证性实验,验证性实验能加深学生对理论知识的理解,但对动手开发能力的培养却远远不够。因此我们将实验课程内容调整为验证性、综合性和设计性实验三部分。并逐渐增加综合性、设计性实验的比重。

验证性实验是实验教学中不可缺少的部分, 是学生理解、巩固、掌握理论知识的必要手段,我们挑选有代表性的实验去做,一方面强化了理论知识,另一方面为后续的综合性、设计性实验做出铺垫,打下基础。同时必须保证验证性实验与理论课教学的同步性。

综合性实验旨在培养学生系统的概念,必须按实验内容的内在联系进行设计,培养学生的综合实践能力。我们的方案是由教师提供综合性实验涉及的相关资料,然后由学生根据资料写出完整的实验方案,由教师提供相应实验模块的电路原理图,学生在读懂电路图的基础上,画出相应的电路方框图,并标出具体的测试点,完成整个实验内容的设计。这样有助于学生系统理解整个实验,还可以通过改变系统参数,测试其对系统性能的影响。实验平台改革

以前我们的实验平台主要是通信原理实验箱,实验箱比较适合于验证性实验,有利于学生深入理解通信原理的基本理论知识。但用来操作设计性和综合性实验却有捉襟见肘之感,灵活性和可操作性不强。随着实验内容的改革我们又增加了System View平台、MATLAB仿真平台和EDA设计平台。

System View是美国ELANIX公司推出的,基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具,它使用功能模块描述程序。利用System View可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统并以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。对学生深入了解硬件系统的具体实现很有帮助。EDA技术是以计算机为工具,借助EDA软件平台,用硬件描述语言完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真。

EDA实验平台一方面可以简化电路,学生用硬件描述语言代替实际连线,可以在一个可编程逻辑器件上实现多种不同的实验内容,做到举一反三;另一方面学生要充分学习实验理论以便能够自己编写程序,这大大改变了以前实验中学生只知按照实验步骤连线来完成测试内容,而根本不追求理解掌握实验原理的误区。这一平台能够大大调动学生的主观能动性,提高学生的实验兴趣和实验态度。

MATLAB是美国Math Works公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB用于通信原理实验中,通过数学函数实现实验内容,可使学生从数学的角度深入了解通信原理的具体实现,与课堂上理论知识的数学推导直接挂钩,强化记忆。还可以通过改变参数多角度分析实验结果进行仿真,对学生综合能力提高很有帮助。其难点在于学生要充分学习MATLAB的应用,自己动手编写模块文件,这对初学者提出了更高的要求。

综上所述,我们的实验策略是验证性实验采用传统实验箱结合MATLAB仿真,MATLAB具有出色的图形处理功能,比较直观,而实验箱可以把通信原理知识的理论和实际应用很好结合;设计性实验采用EDA技术结合MATLAB工具,MATLAB平台侧重通信模块功能的数学实现,而EDA平台强调通信模块功能的硬件和软件实现,二者结合可以使学生对实验内容有全方位的把握;综合性实验采用多种平台相结合,由学生根据自身状况自行取舍,因材施教,充分发挥学生的主观能动性。实验教学方法改革

为了融多种实验平台于实验教学中,我们对传统的实验教学方法也进行了相应的改革。

验证性实验的教学方法是实验箱操作与软件仿真相结合,验证性实验较为简单,主要依靠实验箱上已给模块连线操作,借助数字示波器观测分析实验波形。已有固定实验模块主要是模拟现实应用,测得波形大多存在延时和失真,对于理论学习不够扎实的学生,往往不能观测和识别正确的波形,更谈不上做出详细准确的实验分析结果。因此,可以借助MATLAB绘制波形,有利于学生把握实验结果,从而提高实验的整体效果。

设计性实验的教学方法是模块仿真和EDA技术相结合。DSP技术和EDA技术是目前实际通信产品开发的两种主要技术,前者对普通大学生来说要求较高、难度较大,因此建议采用EDA平台。这种教学方法,可以使学生了解掌握实际工程的设计方法,为今后更好的学习和工作奠定基础。综合性实验的教学方法是学生自选平台,灵活施教。对于大型通信系统的模拟仿真和设计建议学生采用System View软件实现,对较简单的通信系统,建议学生采取MATLAB仿真结合EDA设计。具体实施由学生根据自己对平台的熟练程度自己选择。综合性实验大多费时费力,为此我们对实验室实行开放式管理,以方便学生自由安排时间完成实验。实验管理方式改革

为了更好的对通信原理实验进行数字化、网络化管理,我们一改传统的实验管理方式,尝试采用由我们实验教学小组自己开发的通信原理实验信息管理系统。

学生可以通过实验信息管理系统进行实验预习、预约,还可根据实验要求和自己的兴趣来选择实验项目,使学生在实验进行之前,对实验有了较全面的了解,掌握了主动权。完成实验后,学生可以通过网络上交电子实验报告,查询实验成绩。

实验室管理人员可以对实验教学进行宏观调控,更合理地安排实验时间、实验场地、实验设备及辅导教师,提高了实验中心的运行效率。实验辅导教师能够及时获得学生实验预习和预约结果,据此安排必要的实验准备工作并能更有针对性地进行实验指导和成绩管理。学生和老师之间的有机互动,使实验的运行机制更科学合理,使学生更了解自己的操作对象,更好地发挥主观能动性。结束语

经过一段时间的尝试,我们的通信原理实验教学改革已经初见成果,我们一改以往以教为主、以验证性实验为主的教学模式为以学为主、以设计性实验为主的教学模式,一方面使学生能够更加充分的理解和掌握通信原理的基本概念、理论、方法,另一方面也能够对学生的实践动手能力、科研开发能力和常用硬软件的熟练运用能力进行充分的锻炼。这种改革使学生的学习兴趣明显增强,动手能力明显提高,得到了学生的一致好评。

参考文献

计算机通信网络原理实验二 篇5

【实验目的】

了解局域网共享介质访问控制方式的必要性和重要性，掌握此类算法分析和设计的基本思路；进一步理解、掌握算法CSMA/CD基本原理，理解CSMA/CD算法；掌握所选的编程环境及编程调试的方法。

【实验内容】

用MATLAB编写一个仿真站点随机访问共享10Mbps信道的CSMA访问控制程序。要求画图分析比较站点数（即网络负载）对网络吞吐量的影响。

【实验原理】

CSMA/CD原理（参见教材）。

【实验步骤】

1.复习CSMA工作原理，掌握此种局域网共享介质访问控制方式工作过程；

2.按实验内容要求设计程序框图；

3.按程序框图进行编码调试；

4.运行程序，观察分析实验结果，并进行必要的改进；

5.撰写实验报告。

请大家自行安装MATLAB软件

计算机网络原理实验三 篇6

三、套接字编程

1．实验目的：

两人一组，编写一个客户端、服务器程序，掌握Socket编程原理。2．实验环境：

连入局域网络的主机一台。3．实验指导：

Socket API是实现进程间通信的一种编程设施，也是一种为进程间提供底层抽象的机制。理解socket编程模型及其原理。4．实验分析，回答下列问题。

a.运行指导书中的程序，并修改服务器的功能（自己思考），改写成多线程web服务器（选作），附上源代码，并加关键代码注释。服务器：

#include “stdafx.h” #include #include #include #include #pragma comment(lib,“ws2_32.lib”)#define MYPORT 3490 /*定义用户连接端口*/ #define BACKLOG 10 /*多少等待连接控制*/ #define SERVER_IP_ADDR “113.55.34.41” /*服务器的IP地址*/ int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){ SOCKET sock, msgsock;#define PORT 3490 int length = 0;struct sockaddr_in server;struct sockaddr tcpaddr;char buf[1024] = “";int rval= 0, len= 0, err = 0,i;//用于循环 WORD wVersionRequested;WSADATA wsaData;wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);if(err!= 0)return-1;sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sock < 0){ perror(”opening stream socket“);exit(1);} server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(MYPORT);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP_ADDR);memset(server.sin_zero, 0, sizeof(server.sin_zero));rval = bind(sock,(struct sockaddr *)&server, sizeof(server));if(rval < 0){ perror(”binding stream socket“);exit(1);} length = sizeof(server);if(getsockname(sock,(struct sockaddr *)&server, &length)< 0){ perror(”getting socket name“);exit(1);} printf(”socket port #%dn“, ntohs(server.sin_port));listen(sock, 5);len = sizeof(struct sockaddr);do { msgsock = accept(sock,(struct sockaddr *)&tcpaddr,(int *)&len);if(msgsock ==-1)perror(”accept“);else {

for(i=0;i<=1000;i++)//循环控制 { memset(buf, 0, sizeof(buf));if((rval = recv(msgsock, buf, sizeof(buf),0)< 0))perror(”reading stream message“);if(rval == 0)

printf(”%sn“, buf);} } closesocket(msgsock);} while(TRUE);closesocket(msgsock);

客户端：

#include ”stdafx.h“ #include #include #include #include return 0;} #pragma comment(lib,”ws2_32.lib“)#define PORT 3490 /* 客户机连接远程主机的端口*/ #define MAXDATASIZE 100 /* 每次可以接收的最大字节*/ int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){ WORD wVersionRequested;WSADATA wsaData;int err = 0 ,rval = 0 ,i;SOCKET fd;struct sockaddr_in servaddr;struct hostent* hp;char buf[1024] = ”“;wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);if(err!= 0)return-1;if((fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))< 0){ printf(”Can not create socket!“);exit(2);} servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(PORT);servaddr.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(”113.55.34.41“);memset(servaddr.sin_zero, 0, sizeof(servaddr.sin_zero));rval = connect(fd,(sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));if(rval < 0){ printf(”Can not create connect!“);exit(3);} else {

for(i=0;i<=1000;i++)//循环控制 { memset(buf, 0, 1024);scanf(”%s“,&buf);rval = send(fd, buf, strlen(buf)+ 1,0);if(rval < 0)printf(”Write error!“);} } closesocket(fd);exit(5);} return 0;

b．给出程序调试和运行的截图。

c.回答下列问题：

（1）为什么在服务器和客户端要包含winsock2.h文件？

答：用Winsock2 API，这样有助于对异步、非阻塞Socket编程机制的理解。为了简单起见，服务器端和客户端的应用程序均是基于MFC的标准对话框，网络通信部分基于Winsock2 API实现。

（2）为什么在服务器和客户端程序中要加入#pragma comment(lib,”ws2_32.lib")语句，如果不加会出现什么问题？

答：用该语句，指示编译当前单元时，linker会优先链接该preproccessor 指定的lib文件，这样等于就告诉编译器有这样一个lib文件可以去链接。如果不加就会出现类似“LNK2019: 无法解析的外部符号__imp__closesocket@4，该符号在函数_wmain 中被引用”的错误。

（3）为什么在服务器和客户端程序中要使用WSAStartup函数，如果不用程序会有什么问题？

答：使用Winsock库函数之前,必须先调用函数WSAStartup,该函数负责初始化动态连接库Ws2_32.dll.若ws2_32.dll尚未初始化,是无法调用WSAGetLastError.WSAStartup是任何使用Winsock的应用程序或者 DLL首先必须调用Winsock库函数.一方面它初始化 ws2_32.dll,另一方面他用于在应该程序DLL与系统Winsock库版本协商。所以，如果不用该函数程序将无法按照正常的情况进行。

（4）如果程序在Turbo C环境下运行，在服务器和客户程序中还需要上面的内容吗？

答：不需要。

（5）如果服务器程序中没有memset(server.sin_zero, 0,sizeof(server.sin_zero));语句，程序会出现什么错误，为什么？

答：此函数是为新申请的内存做初始化工作。如果去掉该语句在理论上面应该有错误，但是在我的实际操作中却没有错误，这个问题在我将继续深究。

（6）如果先运行客户端程序，程序会有什么现象，为什么会有这一现象？

答：无法连接。因为如果先运行客户端的话，没有服务器端等待，那么服务器端艰苦肯定无法给予响应，所以也就无法连接。

（7）如果服务器程序所在计算机没有连接网络，程序会发生什么错误？我们捕获到什么错误信息？

答：无法连接。会出现报错。

（8）上述服务器是串行处理多个客户端的请求，如何该成并发处理的服务器？

答：用父进程调用accept，然后调用fork，这样，已连接套接口就在父进程与子进程间共享，一般来说，接下来便是子进程读、写已连接套接口并关闭侦听套接口，而父进程则关闭已连接套接口。

5.实验环境：提供的Socket程序在visual c++ 2008中的设置(1)创建工程

(2)在应用程序开发中选择预编译头

(3)源程序有如下改变,winsock2.h windows.h头文件顺序要改变

软件仿真在通信原理实验中的应用 篇7

关键词：通信原理实验,软件仿真MATLAB,System View

0 引言

《通信原理》是电子信息工程、通信工程等专业学生的一门重要的专业课, 该课程内容丰富, 概念抽象, 理论性强, 难度大。因此, 在教学时单纯依靠课堂上的理论教学, 有关知识是不容易被掌握理解的。而通信原理实验课程是理论教学必要的补充, 也是掌握相关通信基础原理和技术的重要的教学手段和途径。

传统的通信原理实验教学中, 往往是采用教仪设备厂商提供的实验箱。厂商为了适应各种需要, 往往生产众多的实验模块。厂商提供的内容更多的往往是介绍实验设备的电路及操作说明, 而忽略了实验本身和理论知识对实验的指导[1,2]。经过近几年的实验教学发现, 这种实验课程有一定缺陷:1) 实验大都是验证性实验。学生只知道按照实验步骤进行实验, 而对为什么得出这样的实验结果及如何分析实验数据不能找到依据。学生处于被动地位, 积极性不高, 实验效果不好;2) 这类验证性的实验在培养学生的综合思维能力、创新能力和动手能力方面所起的意义不大。因此, 结合我校学生培养与理论教学的需要, 考虑将软件仿真实验和硬件验证性实验相结合, 使实验内容既配合理论课程的教学, 又与现代通信技术同步发展, 使实验课程的教学从内容到形式上都有较大改观。针对现代通信技术发展的特点, 结合通信仿真软件, 开设了基于MATLAB和System View的仿真实验。将软件仿真应用于通信原理实验教学中, 为学生提供统一良好的系统开发平台。计算机仿真实验的内容和步骤灵活, 可极大的激发学生的主观能动性, 在实验中能及时发现问题, 解决问题, 提高学生的综合设计和创新能力。

1 MATLAB在通信原理实验中的实例

MATLAB[3]是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境, 它用于科学和工程的计算与可视化。MATLAB的编程功能简单, 并且很容易扩展和创造新的命令与函数。MATLAB具有强大的Simulink动态仿真环境, 可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。另外, MATLAB的图形界面功能GUI (Graphical User Interface) 能为仿真系统生成一个人机交互界面, 便于仿真系统的操作。因此, MATLAB在通信系统仿真中得到了广泛应用。

基于Matlab平台开发的仿真实验能很好的弥补实验箱的验证性实验的不足, 在通信原理实验箱的硬件实验中, 主要实验目的是配合理论教学, 通过验证掌握通信系统的基本原理和基本技术。而在Matlab仿真平台上可以灵活设计通信系统结构, 完成系统搭建, 仿真系统性能等问题, 这些方面往往是通信原理实验箱的硬件实验达不到的, 同时也是学生知识的掌握必不可少的。例如, 在MATLAB仿真平台上实现MSK调制, 如图1和图2, 可以灵活设计系统结构, 完成系统搭建, 仿真系统性能, 观察仿真波形和频谱特点。在实验过程中可以通过对重要参数的改变, 让学生完成实验单元的搭建、仿真实现和对结果的讨论以及对实验中出现问题的探讨。

2 System View在通信原理实验中的实例

System View[4]是ELANIX公司推出的一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化环境。它是信号级的系统仿真软件, 主要用于电路与通信系统的设计、仿真, 是一个强有力的动态系统分析工具, 能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。基于System View的实验能很好的帮助学生加深对理论知识的掌握, 如DQPSK调制, 图3所示, 用SystemView仿真, 可以直接看到调制后输出波形。要对系统模型进行分析, 在System View中必不可少的工具就是接收计算器, 这个工具也是System View中的一个独特的区别于其它仿真软件的功能之一。利用接收计算器可以绘制信号的功率谱、覆盖图、星座图等。图4为已调DQPSK信号的功率谱。

综上, 软件仿真用于通信原理实验教学方便灵活, 既可以在实验室也可以在学生宿舍进行, 且在仿真器上可以任意作参数调整, 体现了仿真实验的灵活性;拓展了学生的思维, 有利于引导学生进行更复杂的系统分析, 使以往不敢触及的问题得到扩展和深入, 提高了学生实际解决问题的能力。

3 结束语

软件仿真为《通信原理》实验课程开辟了一个更加直观、易操作的空间, 使学生提高了实验的自主性, 提高了学生解决问题的能力和独立的思考问题能力, 而且节省了大量的教学资源和经费资源。因此, 将软件仿真实验与硬件实验相结合进行实验教学, 有利于提高学生理论设计、计算机仿真及相应的硬件制作与系统调试的综合能力。

参考文献

[1]马冬梅, 朱正伟.通信原理实验教学的改革与探索[J].实验室科学, 2010 (4) :17-19.

[2]赵金宪, 江晓林.电气信息类专业“通信原理”实验与实践教学的研究[J].电气电子教学学报, 2010 (1) :111-112.

[3]邵玉斌, 等.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京:清华大学出版社, 2008.

通信原理 实验三AMI 篇8

坚强智能电网是覆盖所有电压等级,包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节,实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网[1]。 高级测量体系(Advanced Metering Infrastructure,AMI)系统主要由智能电能表、智能双向交互终端、通信网络、计算数据管理系统(Meter Data Management System,MDMS)、用户入口等组成,是一个用来测量、储存、分析和应用用户信息的智能通信网络和自动化系统。实现用户侧和电网侧的双向互动,对用户侧的电压、电流、用电量、需量等数据进行测量,实现远程监测、分时电价和需求侧管理等功能。AMI作为智能用电的关键性因素,体现了用电网、通信和信息基础设施的融合。通信是AMI体系的一个基础性功能,AMI各项功能的实现依赖于实时、有效、可靠的信息传输[2]。

随着智能配用电网的发展,10 k V终端接入网已覆盖至10 k V开关站、配电室、环网柜、柱上开关、公用配电变压器、线路以及网内专变变压器、工商业及居民用户表计、分布式能源站点等相关设备。传送网正由传统电路交换向分组交换发展,实现与IP技术的融合。以IMS为核心的融合通信网络的建立可以满足智能用电系统网络结构、覆盖范围、技术应用、带宽需求和业务管理需求,是实现不同类型架构的通信系统互联互通的高效网络架构,是未来AMI智能用电通信网络发展的必然选择。同时融合通信网络的建设能够帮助电力企业将通信系统与IT基础设施集成,可以创建一个融合的、涵盖整个企业的通信平台,从而达到提高通信效率、节约通信成本,最终提升电力企业综合竞争力的目的[3,4]。

1 AMI系统

AMI系统是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整的网络处理系统,由安装在用户端的智能电能表、智能交互终端以及位于电力公司内的量测数据管理系统和连接它们的通信系统组成[5]。通过对AMI所提供的海量历史数据及实时数据的分析,供电公司可以发现用户的用电习惯及用电策略,降低电网的运行成本,提升对客户的服务质量,优化电网运行。同时AMI的双向通信能力将支撑电网在变电站级和电路级实现全自动化,这些智能功能都将增强电网的稳定性和高效性。

1.1 AMI系统架构

AMI系统通过采用需求响应技术,实现了柔性负荷控制方式,为用户参与电网调峰提供了技术支持,满足用户多层次的用电需求。同时AMI系统不但可以实现用电信息采集系统电力负荷控制的功能,还支持用电设备控制和用户侧智能电器控制。AMI系统提供电力交互式服务,如居民智能用电服务、电动汽车充电桩、智能家居控制、水气表抄收、家庭安防、综合信息服务等业务,也能承载三网融合等服务。通过电力公司与电力用户之间的实时互动通道,结合智能插座等交互终端的使用,用户可以查询其用电信息,并根据电价政策和电网的负荷状态灵活调整用电时间和实现分布式电源(微网)接入,提高用电的经济性和安全性;供电公司可以获取用户的用电信息、管理分布式电源接入,并可以通过控制用户的家用电器实现调节电网负荷,实现电网安全稳定运行。智能电器与智能插座能通过家域网(Home Area Network,HAN)与智能用电终端进行数据交互,提供相关用电数据信息,并执行来自智能用电终端的指令以控制和调整用电设备的运行[6]。

AMI系统作为一种高级的电力用户信息采集系统和负荷控制系统,目前为止,在国内外其组成结构并没有一个统一的标准。AMI系统目前正处在积极的研究中,主要可分为智能双向交互终端、智能电能表、通信网络、MDMS、用户入口。AMI系统架构如图1 所示。

1.2 AMI通信网络

AMI的通信网络自上而下可分为4 层,第4 层为地区四级通信网,第3 层为四级通信网向下延伸而形成的10 k V通信接入网,第2 层为10 k V通信接入网向下延伸而形成的0.4 k V通信接入网,第1 层为HAN。AMI通信网络将供电端到客户端的用电设备通过传感器连接,形成缜密完整的用电和信息交互网络,并对其中的用电信息加以整合分析,实现电力资源的最佳配置。AMI通信网络结构如图2 所示。

AMI通信网络因部署场景不同而采用不同的通信技术,目前第1 层网络主要为基于微功率无线的Zigbee、Wi Fi、Wi MAX、无线传感网(Wireless Sensor Network,WSN)通信技术;第2 层主要采用基于光纤复合低压电缆(Optical Fiber Composite Low-voltage Cable,OPLC)的EPON/GPON/ 工业以太网技术、基于低压电缆的PLC;第3 层10 k V通信接入网主要采用基于G.652 单模光纤的EPON/GPON/ 工业以太网技术、基于无线230 MHz专网技术和GPRS/CDMA/3G公网技术、基于载波的中压电力线载波通信系统;第4 层主要采用多业务传送平台(Multi-Service Transfer Platform,MSTP)技术。

1.3 AMI发展方向

智能电网的数据采集网络既包括输变电网络变电站同步相量测量单元(Phasor Measurement Unit,PMU)、智能变电站的远动设备,也包括位于配用电网络中的配电自动化终端(Distribution Terminal Unit,DTU)、馈线终端设备(Feeder Terminal Unit,FTU)、远程终端设备(Remote Terminal Unit,TTU)等采集装置,以及用电网的工商业及居民用户表计、分布式能源站点、用户家中的智能电表、智能插座以及智能电器的嵌入式系统。通过智能电网的数据网络的建设,智能电网计算平台可以反映实时的全方位的电力系统信息。云计算是智能用电网的核心计算平台,物联网和云计算技术是智能电网控制中心的关键技术,能够应对多元、多向流动的电力信息[7]。随着AMI体系MDMS电力云的建立,基于AMI架构的用电网可以在不改变现有电网网络拓扑、节约物理资源、避免资源浪费的情况下,最大限度地挖掘系统现有的计算和存储能力,提高整个电力网络的运行效率[8]。

云通信是基于云计算平台的通信服务。云计算的诞生离不开通信网络,其对内的虚拟化资源调度、对外的业务交付,均需要云通过网络实现。在云数据中心内部,系统之间通过物理或虚拟的网络进行通信。云通信更多地体现了统一、融合的理念,云通信在电力智能配用电AMI系统的广泛应用积极促进了地区融合通信网络的建设和发展。

2 融合通信技术介绍

2.1 IMS技术

IP多媒体系统(IP Multimedia Subsystem,IMS)由第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)提出,是一种全新的多媒体业务形式。目前IMS被认为是下一代网络的核心技术,IMS充分借鉴了软交换网络技术。在IP核心网络引入了会话控制层,其核心网元呼叫会话控制功能(Call Session Control Function,CSCF)负责多媒体通信的会话控制。在业务层采用软交换网络的开放式业务提供架构,与Parlay组织联合开发了Parlay/OSA API,既支持基于Parlay应用服务器的第三方业务提供,也支持基于Servlet、CGI、Java Bean等互联网技术的会话初始协议(Session Initiation Protocol,SIP)应用服务器业务提供。

IMS技术在原理上与软交换技术是一种继承与发展的关系,两者都采用了应用、控制和承载相互分离的分层架构思想,但又各具特点。同样作为控制层技术,IMS在体系设计上较软交换系统前进了一大步。IMS在会话控制层放弃使用ITU-T定义的成熟但复杂的H.323 协议和承载通路连接(Bearer Channel Connection,BCC)协议,转而选用在技术上简单而又易于扩展的SIP;在网络层采用具有足够地址空间和性能改进的IPv6 协议,并重用域名系统(Domain Name System,DNS)协议进行地址解析;在运营管理层采用支持策略控制的公共开放策略服务(Common Open Policy Service,COPS)协议;在网络安全方面采用的IPSec技术和安全传输层协议(Transport Layer Security,TLS)。

IMS是一个全分布式网络架构,便于灵活实现和部署。IMS与接入无关,支持控制与业务分离,提供普遍移动性和用户数据集中管理,分层的架构设计体现了“业务与控制分离”和“控制与接入及承载分离”的思想,使得不同的用户终端能够通过不同的无线或者有线接入技术接入IMS网络,享受统一的呼叫控制服务及其相应的增值业务。这种“层次化”的网络架构设计为不同网络的互联互通和业务的融合奠定了基础。IMS与软交换系统的业务结构类似,但IMS业务结构综合了SIP技术、移动智能网技术和Parlay/OSA技术,能在IP网络上提供丰富的增值业务,并为开放式业务提供环境。IMS网络架构如图3 所示。

2.2 融合通信技术

融合通信技术是指把计算机技术与传统通信技术融合的通信模式,将计算机网络与传统通信网络融合在一个网络平台上,实现数据传输,满足多种应用服务。电力通信网已形成了光纤通信、无线通信、微波通信、PLC等多种通信方式的通信网络。针对电力通信系统中多种分组协议并存的现状,融合通信系统应可提供多种形式、标准格式的定制信息,在多种分组协议的基础上建立以SIP为主的融合通信网络。

下一代网络在业务层面的主要趋势是融合和开放,随着智能电网带来的大量多元化的分组数据业务,对通信网络的需求逐渐由单一的话音模拟服务转变为对话音、数据、图像、多媒体等业务的综合服务,融合通信方式是多种通信方式的结合,以实现更加灵活、有效的数据传输。下一代网络是以全IP为基础的融合多种网络、提供多种业务并具有分层体系结构的网络。基于IMS的融合通信网络已认定为是下一代网络的主流技术。

从IMS的架构上看,IMS属于与具体技术无关的网络,IMS的特点是统一的应用平台、统一的用户数据、统一的呼叫会话控制、统一的承载,是融合通信网的核心技术。融合通信技术将通信系统定位为“云应用+ 多终端”的融合通信模式,将用户在各种不同设备上存储的数据通过网络整合到云端。融合通信平台以IMS核心网为基础,以统一的开放管理平台支持服务、云计算及平台的综合网络架构。融合通信将充分体现网络融合与媒体融合,充分利用云计算、大数据等IT新技术,支持多网络协同,满足地区智能配电网用户多元化的通信需求。

3 AMI体系的融合通信系统架构

在AMI体系的融合通信网络架构中,自下向上分为用户/ 设备接入层、接入控制层、业务支撑层3 个层面。IMS通信网络主要由会话控制和路由(P-CSCF、S-CSCF、I-CSCF)、用户数据管理认证鉴权(HSS、SLF)、媒体资源(MRFC、MRFP)、业务控制(AS)、互通功能(MGCF、BGCF、MGW)5 部分组成。

1)用户/ 设备接入层。包括适应各种终端接入网的接入网关和终端设备。IMS网络中已经较为成熟的接入网关有SGSN、GGSN等,IMS的网关可以接入由IP网络组成的接入与传送网络,提供任意的IP网络承载,如传统的x PON技术、不同制式的无线网络(Wi MAX/Wi Fi/TD-LTE/230 MHz)及固定宽带接入。基于AMI体系的融合通信网络终端包括基于时分的MSTP网络设备、传统的语音固话交换设备、基于时分网络的230 MHz无线专网的基站设备、基于频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)/ 时分双工(Time Division Duplex,TDD)制式的TDLTE无线专网的的基站设备、EPON终端OLT设备、已建的软交换设备如PC软终端及综合接入设备(Integrated Access Device,IAD)等。

2)接入控制层。是融合通信系统的基础组件,提供目录服务、语音/ 数据/ 视频/ 员工的接入控制、安全防护认证、终端设备管理等功能,可部署于通信系统与业务系统之间。IMS的核心设备是CSCF实体,IMS控制层的核心是系统主要实现的部分,主要完成IMS用户管理、网间互通、业务触发等处理,主要由P/I/S-CSCF网元、SLF/HSS、BGCF、MRFC/MRFP等网元构成,其基本功能是执行多媒体呼叫控制。S-CSCF与P-CSCF、BGCF可合设,S-CSCF是IMS网络的核心控制设备,位于用户的归属网络,为用户提供注册管理和认证鉴权,并为IP多媒体业务呼叫的建立、维持和释放提供控制功能。

3)业务支撑层。主要由用户数据管理认证鉴权(HSS、SLF)及业务控制(AS)组成。HSS用于用户数据存储、认证、鉴权和寻址。SLF是数据与应用层中与HSS相关的,用来确定用户数据存放在哪个HSS中。AS包括基于SIP的应用服务器(SIP AS)、基于CAMEL的IP多媒体业务交换功能(IMSSF)以及基于OSA的业务能力服务器(OSA-CSC)。IMS业务应用层支持SIP AS、IN、OSA 3 种业务提供方式,各IMS业务可相互调用,且能够开放给自营业务平台,业务能力通过网关开放给第三方业务平台。业务能力开放网关的开放方式包括Web Service接口开放、Mashup平台开放、Widget组件形式开放等。值得注意的是,在IMS网络中,当把第三方的应用服务以SIP AS服务器的形式部署在网络中时存在一些安全性的问题。一般这些系统会用第三方的软件来部署,但因为存在于企业内部通信网络中,这些应用必须在可信级别的水平上。同时也需要开发标准和策略来决定这些系统如何整合SIP信令路径,因而还需要在控制层加入一些安全防护装置,将各个系统的不同应用采用安全分区的方式隔离。

基于AMI系统的MDMS需要将分布在众多分布式服务器群的海量数据资源和服务器资源整合在一起协同工作。开放网关的业务是实现MDMS的必要条件。融合通信的建设为基于云计算的AMI智能配用电系统的发展奠定了坚实通信基础。基于IMS的融合通信网络方案如图4 所示。

4 融合通信网络的安全性分析

带有时标的计量数据和实时的控制指令是AMI系统中传输的2 类关键信息。AMI通信过程中,控制命令和计量的完整性与机密性保护是重中之重,直接关系到电网运行。信息安全措施应同时提供对微网等分布式电源的信息安全保护,提供设备间的身份认证以及接入控制服务。通信系统的入侵破坏与安全系统的崩溃会导致级联故障、停电、分布式能源脱网和电网冲击等风险[9]。

由于IMS网络是架构在IP协议的分组网,传统IP网所固有的一些缺陷也会带到IMS网络,许多针对传统IP网络的攻击同样适用于IMS网络。传统IP网网络层的主要缺陷是缺乏有效的安全认证和保密机制,所以继承了一些原有IP网络的威胁,如病毒攻击等。

4.1 融合通信网络的接入网安全分析

由于AMI系统直接面向海量电力用户,用户接入层在物理位置上离用户最近,而接入层的设备相对于其他网络域更为智能和多样化,因此接入层的安全威胁最为严重。在IMS网络中,终端设备和IMS服务网之间的接入是重要的攻击点。基于AMI体系的IMS网络的接入方式主要可分为基于OFDM的电力线宽带载波通信技术、基于光纤的EPON和无线通信方式3 种。

1)电力线载波通信技术。P1901 是IEEE委员会制定的关于PLC的协议标准。PLC网络可分为MAC层和物理层,在数据链路层中,P1901 标准采用带冲突避免的载波侦听多路访问机制(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)以及时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)协议控制每一个站点的接入。由于电力线网络通过电力线载波时,其在数据发射覆盖区域内任何一个用户都能接触到这些数据,面临的基本安全威胁有:无授权访问、窃听、伪装、纂改信息、重放、重路由设置、删除信息、网络泛洪等。

2)EPON技术。EPON是一项采用点到多点拓扑结构,利用光纤和光无源器件进行物理层传输,在以太网协议的基础上开发了新的数据链路层协议来提供各种服务的宽带接入新技术。由于采用无连接的以太网技术,因而面临的安全风险主要表现为:在下行信道上恶意用户可修改ONU的设置获取其他ONU信息;在上行信道,用户可以通过数据通道伪造MAC帧或OAM帧,非法更改系统设置,干扰系统正常运行。

3)无线通信方式。无线通信作为光纤网络的重要补充广泛应用在智能用电领域,其中包括无线宽带专网(TD-LTE、Wi MAX、Mc Wi LL)、无线窄带专网(Wi-Fi、230 MHz)、公网无线通信(GPRS/CDMA/3G)等多种类型。由于无线信道天然开放的特性,针对无线网络的监听、干扰和拥塞攻击相对容易实施,导致应用无线网络的业务系统面临业务中断的风险。

在融合通信网络的接入网络技术主要是基于IP网的接入,由于以太网的无连接性,因而对终端设备和服务网之间的接入攻击是最主要的威胁,主要包括2 个方面:接入层用户信息的安全问题;由不同的接入层技术带来的各类攻击。前者主要通过盗用其他用户的IMS业务标识和或其他用户的IP地址实现,后者主要由假冒源IP地址引起。因而在融合通信网络需要采取严格的认证鉴权措施来消除接入层的安全威胁,从而保证数据的可靠传送,防止IP地址被冒用,基于芯片的安全认证保护是安全防护的发展方向。

4.2 融合通信网络实体的安全

对网络实体进行攻击时,一般包括窃听用户业务、窃听信令或控制数据、未授权接入系统实体存储的数据、窃听SIP报文的内容;篡改用户业务、篡改信令或控制数据、篡改下传到终端应用的数据、篡改系统实体存储的数据、篡改SIP报文的内容等。对涉及到电网的通信网络实体的窃听和攻击,会泄漏电网通信网内的网络拓扑,对整个电力生产的安全可靠性造成严重威胁。

因而需要在融合通信网络的控制层部署相应软硬件将网络信息进行隐藏,隐藏S-CSCF的数量、SCSCF的能力以及网络能力。网络拓扑的隐藏和加密需要IMS技术的信令层和媒体层来考虑,这些需要在融合通信网的控制实体I-CSCF对SIP流径、记录路由、路由、路径头中S-CSCF地址进行加密/ 解密来实现。网络拓扑的隐藏同时也能减小对所隐藏网络设备的Do S攻击威胁。

5 结语

随着电网售配用电业务的开放,基于AMI体系的智能双向用电业务必将广泛开展。将融合通信技术应用于智能用电领域,将通信系统与IT基础设施集成,创建融合多元化接入网技术的通信平台是十分必要的。基于IMS的融合通信网络可以从复杂的异构网络、多协议标准信息中高效地获取、发布、共享、管理和利用信息资源,建立广域、多层次信息资源共享的智能电网信息管理系统。

参考文献

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