现代通信技术

通信技术

将信号在时间或空间进行交换和有效传递的过程称为通信，真正实现信息快速、准确、高效、远距离的传输。

通信系统的组成

通信技术的发展历程

  • 第一阶段是语言和文字通信阶段（古代通信） 如：飞鸽传书、烽火传讯、信件等。
  • 第二阶段是电通信阶段 （近代通信）如：电报、电话
  • 第三阶段是电子信息通信阶段（当代通信）如：超高清视频、虚拟现实、云计算等。

现代通信技术的发展趋势（五化）

  • 通信业务综合化
  • 网络互通融合化
  • 通信传送宽带化
  • 网络管理智能化
  • 通信网络泛在化

移动通信技术

移动通信沟通移动用户与固定点用户之间或移动用户之间的通信方式。

移动通信技术的发展

移动通信技术经过第一代、第二代、第三代、第四代技术的发展，目前，已经迈入第五代发展的时代（5G 移动通信技术），以 5G 为代表的现代通信技术是中国新型基础设施建设的重要领域，满足智能终端的快速普及和移动互联网的高速发展。

5G技术

移动通信延续着每十年一代技术的发展规律，每一次代际跃迁，每一次技术进步，都极大地促进了产业升级和经济社会发展。随着移动互联网快速发展，新服务、新业务不断涌现，移动数据业务流量爆炸式增长，5G 的毫秒级延迟将开启一个万物互联、万物智联时代。

5G特点

  • 高速率
  • 低时延
  • 低功耗
  • 高可靠性

5G 关键技术

  • 高频毫米波传输
  • Massive MIMO天线技术（超大规模阵列天线技术）
  • D2D技术（终端直通技术）
  • MEC技术（多接入边缘技术）
  • UDN技术（超密集组网技术）
  • 双连接技术

5G的组网技术

  1. NSA

    NSA是指非独立组网模式（Non-Standalone）,它通过整合5G基站和4G基站的方式组网，依托4G核心网工作，采用双连接方式进行，是一种过渡方案

  2. SA

    SA是指独立组网模式（Standalone），它通过建设独立的5G基站方式组网，SA的核心网是一个全新网络架构，投资更大，实现基本覆盖的网络建设时间更久。

5G 的应用

  • eMBB（增强移动宽带）场景
  • uRLLC（低时延高可靠通信）
  • mMTC（大连接物联网）

其他通信技术

卫星通信

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面站之间，利用多址传输方式，为全球用户提供移动通信服务。

特点：通信距离远、多址通信、通信容量大、安全可靠性

光纤通信

光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。

特点：抗电磁干扰、传输质量佳、信号干扰小、通信容量大、尺寸小、重量轻

蓝牙

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

特点：适用设备多、工作频段全球通用、传输距离较短、安全性和抗干扰能力强

Wi-Fi

WIFI就是一种无线联网的技术，以前通过网线连接电脑，而现在则是通过无线电波来连网

特点：覆盖范围广、功耗低

射频识别

阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的。

特点：适用性、高效性、独一性、简易性

ZigBee

一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。

特点：低速率、低耗电、低成本、低复杂度

NFC

近场通信（Near Field Communication，简称NFC），是一种新兴的技术，使用了NFC技术的设备（例如移动电话）可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，是由非接触式射频识别及互连互通技术整合演变而来的

特点：近距离、低能耗、高带宽

物联网

是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络 [1] 。

物联网的关键技术

物联网的体系结构主要分为感知层（感知执行层）、网络层和应用层

体现了物联网的3个特征：全面感知、可靠传输和智能处理

（注：不过网络上也有说四个层次的，这里把四个层次都写出来）

  1. 感知层

    感知层是物联网的基础，位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。

    感知层的关键技术包括传感和控制技术、RFID技术等。

  2. 接入层

    接入层包含有线和无线两种传输方式。无线传输是物联网的主要应用技术，成为“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。

  3. 网络层

    网络层具有信息存储查询、网络管理等功能，主要承担数据传输和信息处理工作。

  4. 应用层

    应用层是物联网与用户的接口，位于最顶层，是物联网与行业专业技术的深度融合，包含云计算和人工智能等关键技术。

物联网的发展趋势

以应用领域为先导,紧跟技术潮流并及时适应客户需求的快速变化是物联网行业发展的重要趋势。

一方面，通信、定位、存储、AI算法等技术的进步，推动物联网产品更新迭代:

另一方面，随着消费和产业不断升级，物联网的应用领域持续扩张，逐步细化出如智能交通、智慧出行、智能支付、智能家居、智慧零售、智慧物流、智慧工业、公共服务、智慧农业等多个领域。

物联网的应用

  • 监控安防
  • 数字家庭
  • 工业、交通控制
  • 物流自动化
  • 农林牧业自动化
  • 数字环保

数字媒体

数字媒体是指采用数字化的方式，即以二进制的形式，通过计算机产生、采集、存取、处理、传播的信息媒体。

数字媒体技术是通过计算机和通信手段，综合处理文字、声音、图形、图像等信息，使抽象的信息变成可感知、可管理和可交互的一种技术。

数字媒体技术的应用

应用于影视制作、大众娱乐领域、科研和教育领域、电商领域、传媒和出版领域等。

数字媒体文件的类型

  1. 文本文件

  2. 图片文件

    图形文件：图形也称为矢量图。

    图像文件：静态图像也叫位图。

    图像文件的类型有：.bmp、.jpeg、.gif、.tif、.psd、.png、.pdf等。

    图像文件的参数：分辨率、图片尺寸、色彩数。

  3. 视频文件：常见的视频文件的类型有：avi、wmv、mov、mpeg、rm、flv等。

  4. 动画文件：常见的动画文件的类型有：gif和swf等。

  5. 声音文件：常见的声音文件的类型有：.wav、.mp3、.mid、.wma、.cd和.ra。

数字媒体文件的压缩技术

HTML5

HTML5 是 HyperText Markup Language 5 的缩写，在 2008 年正式发布。它是构建Web内容的一种语言描述方式。是Web中核心语言HTML的规范，是最新的 HTML 标准，是互联网的下一代标准。

HTML5的新特性

  • 新的语义元素
  • 智能表单
  • 强大的图像支持
  • 多媒体支持
  • 强大的新 API
  • 使用本地存储取代 cookie
  • 多线程

数字文本

数字文本处理过程

文本准备、文本编辑、文本处理、文本存储和传输、文本展现

文本输入的方法

人工输入：键盘输入、语音输入、手写体文字联机识别输入

文字自动识别输入：印刷体文字识别输入、手写体文字脱机识别输入

文本编辑

字词句段的增删改查

设置字体、字号、字的排列方向、间距、颜色等。

对段落进行设置段间距、段缩进、对称方式等处理。

页面的布局处理，设置页眉页脚、页边距等。

文本文件的类型

简单文本、丰富格式文本、超文本

文本展现

  1. 对文本格式进行描述解释
  2. 生成字符和图、表的映像
  3. 传送到显示器或者打印机输出

数字图像

数字图像的处理过程

去噪、增强、复制、分割、提取特征、压缩、存储、检索

常用的图片编辑软件

  • 图形编辑软件：

    Corel 公司的 CorelDraw

    Adobe 公司的 Illustrator

    Macromedia 公司的 Freehand

  • 图像编辑软件：

    Adobe 公司的Photoshop 软件

    Windows 系统自带的“画图”软件

    ACDSee 看图软件

数字声音

它具有存储方便、存储成本低廉、失真小、编辑和处理非常方便等特点

音频文件的主要属性

  • 采样频率：

    采样频率是指录音设备在一秒内对音频信号的采样次数

    一般以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz）为单位

    通常有 11.025kHz、22.05kHz、24kHz、44.1kHz 和 48kHz 等级别。

  • 采样位数：

    采样位数是指声卡在采集和播放音频文件时所使用的数字音频信号的二进制位数。其数值越大，声音解析度就越高。

  • 声道数 ：

    单声道：声道数为 1 个声道

    双声道（立体声）：声道数为两个声道

    四声道环

声音的数字化过程

声音的数字化需要经历三个阶段：采样，量化，编码。

采样是把时间上连续的模拟信号在时间轴上离散化的过程。

量化的主要工作就是将幅度上连续取值的每一个样本转换为离散值表示

编码是整个声音数字化的最后一步，其实声音模拟信号经过采样，量化之后已经变为了数字形式，但是为了方便计算机的储存和处理，我们需要对它进行编码，以减少数据量。

常用的音频编辑软件

有Windows 自带的录音机，Sound Forge、Hero Audio Conver

音频文件的简单编辑

使用手机的录音机小程序录制一段声音。

  1. 打开手机上的“录音机”小程序。
  2. 单击小程序界面中的“录音”按钮，开始进行声音录制。
  3. 再次单击“录音”按钮，结束录音。

数字视频

数字视频特点：适合于网络应用、再现性好、便于计算机编辑处理

视频文件的编辑加工流程

数字视频处理的技术过程

采样、量化、编码

常用的视频编辑软件

  • Adobe Premiere：基于非线性编辑设备的视、音频编辑软件，被广泛地应用于电视台、广告制作、电影剪辑等领域。
  • MediaStudio： 包含 Video Editor 和 Audio Editor 等，前者是视频编辑，后者是音频编辑。它的功能和Premiere 相仿。
  • VideoStudio（会声会影）：是针对家庭娱乐、个人纪录片制作之用的简便型视频编辑软件。
  • 爱剪辑：是一款国产的视频编辑软件，包含丰富的风格滤镜、调色效果和切换特效等。

虚拟现实技术

虚拟现实技术(英文名称：Virtual Reality，缩写为VR)，又称虚拟实境或灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。借助计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉

特点：感知性、存在性、交互性、自主性

发展历程

酝酿阶段、萌芽阶段、雏形阶段、应用阶段

未来趋势

VR+城市、VR+文化、VR+旅游

应用场景

游戏、医学、军事、教育

区块链

狭义来讲， 区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。

广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和 更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全性、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。

顾名思义，区块链(blockchain)是一种数据以区块(block)为单位产生和存储，并按照时间顺序首尾相连形成链式(chain)结构，同时通过密码学保证不可篡改、不可伪造及数据传输访问安全的去中心化分布式账本。

发展历史

区块链基础技术

  • 点对点分布式技术（P2P）
  • 非对称加密技术
  • 哈希算法
  • 共识机制
  • 数字签名

区块链技术的特性

  • 去中心化
  • 共识信任机制
  • 信息不可篡改
  • 开放性
  • 匿名性
  • 跨平台

区块链分类

分为：公有链、联盟链、私有链

区块链技术原理

分布式账本

分布式账本是一个在多站点﹑多机构或多国家所组成的网络上进行电子数据复制﹑共享及同步同识，其中并不存在中央管理员或集中数据存储的分布式分类账本。

分布式账本的本质

分布式：区块链数据库在潜在的不受信任的参与者之间共享，并且在网络中的所有节点上都证明是相同的。所有参与者都有相同的信息。

不可变：区块链数据库是所有交易的不可更改的历史记录，使用区块哈希可以很容易地检测和防止更改历史记录。

安全：所有更改均由已知身份签名的交易执行。这些功能与商定的共识机制一起工作，可在区块链网络的所有参与者之间提供“对抗信任”。

分布式账本的原理

分布式账本的原理是其数据库分布于对等网络的节点(设备)上，其中每个节点都复制及存储与账本完全相同的副本并独立更新。分布式账本的主要优点是不存在中央权威。当一个账本出现更新，每个节点都将执行一笔新交易，然后所有节点以共识机制投票决定哪一个副本是正确的。一旦达成共识，所有其他节点都会按照正确副本的数据进行更新。

非对称加密算法

对称加密算法在加密和解密时使用的是同一个秘钥；而非对称加密算法需要两个密钥来进行加密和解密，这两个密钥是公开密钥（public key，简称公钥）和私有密钥（private key，简称私钥）。

应用：

数字签名（又称公钥数字签名）

是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。它是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是在使用了公钥加密领域的技术来实现的，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。

智能合约

智能合约是一套以数字形式定义的承诺（commitment），包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。

区块链的智能合约构建及执行分为如下几步：

  • 多方用户共同参与制定一份智能合约;
  • 合约通过P2P网络扩散并存入区块链;
  • 区块链构建的智能合约自动执行。

作用

在区块链中智能合约相当于现实社会的法律一般、通过合约关系很好的规范参与成员的职责和利益。

最关键的，基于智能合约的区块链可以取代目前涉及第三方中介的业务

共识机制

共识机制是区块链系统在不同节点间建立信任、达成共识、实现去中心化的核心技术。它是结合经济学、博弈论等多学科设计出来的一套保证区块链中各节点都能维护区块链系统的方法，是保持区块链安全稳定运行的核心。

共识机制基于竞争式或投票式数学原理，以共识协议实现安全的记账规则，决定了参与节点对交易数据达成一致的方式，保证了合规数据最终被全部诚实节点确认，实现了分布式账本数据记录的一致性和活性。

区块链应用

金融领域

区块链能够提供信任机制，具备改变金融基础架构的潜力，各类金融资产如股权、债券、票据、仓单、基金份额等都可以被整合到区块链技术体系中，成为链上的数字资产，在区块链上进行存储、转移和交易。

公共服务领域

传统的公共服务依赖于有限的数据维度，获得的信息可能不够全面且有一定的滞后性。区块链不可篡改的特性使链上的数字化证明可信度极高，在产权、公证及公益等领域都可以以此建立全新的认证机制，改善公共服务领域的管理水平。

供应链领域

供应链由众多参与主体构成，存在大量交互协作，信息被离散地保存在各自的系统中，缺乏透明度。信息的不流畅导致各参与主体难以准确地了解相关事项的实时状况及存在问题，影响供应链的协同效率。当各主体间出现纠纷时，举证和追责耗时费力。

信息安全领域

利用区块链可追溯、不可篡改的特性，可以确保数据来源的真实性，同时保证数据的不可伪造性，区块链技术将从根本上改变信息传播路径的安全问题。

区块链技术的价值和未来发展趋势

区块链技术的价值

借助去中心化账本机制打破了现有的传统业务中存在的不平等和“数据孤岛”现状

借助数字签名保证了数据的安全性

借助P2P技术和加密算法实现了点对点数据传输和数据加密

区块链整合了多方技术资源、旨在构建人人平等、公开透明、可信的社会价值体系，推动人类进入“智能时代”和“可信时代”

区块链技术的未来发展趋势

区块链技术作为一种新兴的分布式账本技术，具有去中心化、密码学、不可篡改等特点，已经在金融、物联网、知识产权、游戏等领域取得了显著的成果。

联盟链将成为区块链技术的一个重要趋势。联盟链是一种基于区块链技术的分布式账本系统，由一组信任的成员组成。它可以为各种行业和领域提供安全、可信、可审计的数据共享和交易服务。

去中心化自治组织将成为区块链技术的又一重要趋势。去中心化自治组织是一种基于区块链技术的组织形式，它可以通过智能合约和加密算法来实现自治、公开、透明和可信的组织运作。它可以消除中心化机构的管理和运营成本，并提高组织的效率和公平性。

数据隐私保护将成为区块链技术发展的最后一个重要趋势。随着数字经济和社交媒体的发展，数据隐私问题日益突出。区块链技术可以通过加密算法、零知识证明和隐私保护协议等手段来保护数据隐私。

典型区块链项目

比特币

比特币是一种P2P形式的数字货币。比特币的交易记录公开透明 [50] 。点对点的传输意味着一个去中心化的支付系统。

比特币的交易模型为UTXO(unspend transaction output)，即只记录未花费的比特币输出，每次交易花费的是之前的某一个或多个输出。

特点：

去中心化：比特币是第一种分布式的虚拟货币，整个网络由用户构成，没有中央银行。去中心化是比特币安全与自由的保证 。

全世界流通：比特币可以在任意一台接入互联网的电脑上管理。不管身处何方，任何人都可以挖掘、购买、出售或收取比特币。

专属所有权：操控比特币需要私钥，它可以被隔离保存在任何存储介质。除了用户自己之外无人可以获取。

低交易费用：可以免费汇出比特币，但最终对每笔交易将收取约1比特分的交易费以确保交易更快执行。

无隐藏成本：作为由A到B的支付手段，比特币没有繁琐的额度与手续限制。知道对方比特币地址就可以进行支付。

跨平台挖掘：用户可以在众多平台上发掘不同硬件的计算能力。

以太坊区块链技术

以太坊（英文Ethereum）是一个开源的有智能合约功能的公共区块链平台，通过其专用加密货币以太币（Ether，简称“ETH”）提供去中心化的以太虚拟机（Ethereum Virtual Machine）来处理点对点合约。

以太坊的账户体系就跟我们认知里的账户体系非常接近，它有了余额的概念，我要给谁转一笔账，只要我账户里面的余额够就可以转账

特点：

去中心化、无需授权、安全性、开源、透明、伪匿名、通货紧缩供应

超级账本fabric

Fabric是超级账本项目中的基础核心平台项目，它致力于提供一个能够适用于各种应用场景的、内置共识协议可插拔的、可部分中心化（即权限管理）的分布式账本平台，是首个面向联盟链场景的开源项目。

Fabric是一个带有节点许可管理的联盟链系统，也就是系统是在一系列已知的、具有特定身份标识的成员之间进行交互。虽然对于系统来说节点本身身份是已知的，但节点间还需要一个一致性的算法来保证数据是可信的。

特点：

（1）灵活的链码信任机制。在Fabric系统中，链码即智能合约。链码的运行与交易背书、区块链打包在功能上被分割为不同节点角色完成，且区块的打包可以由一组节点共同承担，从而实现对部分节点失败或错误的容忍。而对于每一个链码，背书节点可以是不同的节点，这保证了交易执行的隐私性、可靠性。

（2）高效的可扩展性。Fabric中交易的背书节点与区块链打包的oderer节点解耦，只能保证系统有更好的伸缩性。特别是当不同链码指定了相互独立的背书节点时，不同链码的执行将相互独立开来。

（3）隐私保护。Fabric制订了一套完整的数据加密传输、处理机制。同时通过将不同业务或用户通过通道隔离，实现数据的隔离，进一步保护隐私。

（4）共识算法模块化。系统的共识由orderer节点完成，并在Fabric允许各类共识算法以插件的形式应用于orderer节点。