下一代电信网络的特征

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邬贺铨大唐电信科技产业集团

　　在电信业务发展和新业务需求的推动下、在集成电路技术和计算机技术的支持下，电信网络技术不断演进，其中一些重要技术发明和应用，使电信网发生了革命性变化，业务能力大大提高，成本显著下降，在电信网的发展史上具有划时代的意义。尽管换代过程是渐进的，新旧两代网络有一个并存的过渡期，新一代网络需要与原网络兼容并实现业务互通，但是新一代网络总有与原网络显著不同的先进技术和业务特点。事物发展是无止境的，在若干年后，现在的新一代网络将面临更为先进网络技术的挑战。在网络技术换代之际，笔者回顾网络技术的发展过程，就下一代网络的特征进行探讨。

１
基于承载与控制分离体系，以ＩＰ为平台有ＱｏＳ策略的业务节点

　　与国际上公认的移动通信三代划分特征（即模拟方式、数字方式和分组方式）相仿，网络业务节点也经历了同样的演进过程。第一代网络业务节点即模拟交换机，以电控机械节点作为交换矩阵，对模拟信号以空分方式实现电路交换。第二代网络业务节点的主要特点是数字方式，对数字化的话音信道（64kb
/ s时隙）以时分方式实现电路交换，以时分和（或）空分存储器作为交换矩阵。目前网上大量使用的程控交换机属于第二代业务节点，相对于第一代业务节点，它的容量大体积小，更重要的是功能强，与七号信令网和智能网结合可以提供很多补充服务。ISDN交换机是其发展但仍属第二代网络业务节点。第一代和第二代交换机的共同特点是以面向连接的电路交换方式工作。

　　第三代网络业务节点的主要标志是分组交换，ATM交换机和路由器都具有这一特征，但要作为一种在网上可以取代程控交换机的大范围应用，ATM交换机和路由器都不理想。
ATM交换机的设计思想是作为目标网的业务节点，把电路交换方式面向连接的信令与分组交换方式对包的存储转发技术相结合，与一般的分组交换方式不同的是，它采用定长的分组——信元，定位于同时支持话音、数据、视像和多媒体业务。这种兼顾实时和非实时业务的方式使它虽能同时支持话音和数据，但两者的效应都不是最佳的，复杂的流控管理和信令协议使ATM交换机在得到好性能的同时付出成本代价。当然，在边缘网上，ATM多业务平台特点的优势还在，此外ATM交换机也在演进：简化资源管理、使用PVC替代SVC以简化信令、使用CORBA替代Q3以简化网管，甚至采用多协议标签交换（MPLS）替代ATM信元交换等，这些对降低ATM交换机的成本和提高其对路由器的竞争力都是有效的。

　　路由器与ATM交换机的主要区别是基于无连接方式工作，ATM交换机是在第2层作信元交换，而路由器在第3层作包的选路转发。路由器适合于处理非实时数据业务，它本身并没有对实时业务的服务质量（QoS）保证，因此路由器从它出现后便不断改进。用交换矩阵硬件代替软件实现包转发，在路由器上加入MPLS层，则是用面向连接的第2层标签（相当于信令）来支持第3层无连接包的传送。此外，在路由器原来单纯的尽力而为的包转发策略基础上，采用DiffServ和IntServ技术，将增加基于类别和基于流的优先权处理措施，减少对实时业务分组的排队时延。

　　作为第三代网络业务节点，需要与现有的电路交换业务节点共处，因此第三代网络的业务节点往往需要具有网关功能，实现电路网与分组网的互通。除了用户面信号格式的互通（媒体网关）外，还需要有控制面和管理面的互通功能（如电话网编号与分组网IP地址的变换、用户身份认证与授权、资源管理与账户管理等）。传统的业务节点在实现时，其用户面、控制面与管理面之间不是开放接口，新业务的开发和功能的增加不方便，业务节点缺乏智能。因此在考虑第三代网络节点时，倾向于用户面、控制面与管理面之间采用开放接口，即媒体网关与业务控制功能可以分离。新业务与新功能的增加可借助于与标准开放接口相连的应用服务器，由第三方供应商的软件来支持，这不仅大大增强了节点的智能，而且为“网络就是交换机”的真正实现提供了可能。媒体网关之间的分组网起到了交换矩阵的作用，它本身与业务无关，但却能够受控并灵活提供各种业务所需的不同带宽。这种设计思想被称为软交换技术。

　　综上所述，第三代网络的业务节点应该是能够支持IP协议又具有QoS保证的电信级业务节点，其业务能力如图1所示。业务承载与业务控制分离的软交换机是其可能的体系结构，分组网是其公共传送平台，在媒体网关中ATM与路由器技术融合可作为实现的基础，仅仅如此还不够，就目前的认识，MPLS和DiffServ是需要使用的服务质量保证措施。

２
基于ＡＳＯＮ体系、智能ＩＰ与光技术结合的高速ＤＷＤＭ系统

　　考虑到复用是传输系统的主要功能，笔者从复用技术的发展来回顾传输系统的换代演进过程。与第一代网络业务节点相对应，第一代传输系统是模拟系统，基于频分复用（FDM）技术实现，最初的传输媒介是架空明线，随后是对称电缆、同轴电缆、微波和卫星，至今同轴电缆仍用在CATV网上，以FDM方式传输60路模拟电视信号。第二代传输系统是数字系统，传输媒介有光纤、微波、卫星和金属对绞线，基于时分复用（TDM）技术实现，从复用体制又可分为准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH），前者可在一对光纤上传送565Mb
/ s（7680路），后者的商用水平目前已达40Gb / s（49万路）。相对于第一代传输系统，SDH系统的拓扑结构已经从点到点系统扩展到环形和网状网，具有自愈保护和恢复功能。

　　可以认为，波分复用（WDM）技术使传输系统技术进入第三代，这得益于掺铒光纤放大器（EDFA）的实现，在常规的C波段40nm波长范围内，可安排80个波长同时传送，如果再开发出L波段和S波段及相应的光纤放大器，在一对光纤上可传送240个波长，若每个波长为10Gb
/ s，则总容量为2.4Tb / s（近3000万话路）。除了容量进入Tb
/ s外，色散补偿、增益均衡和非线性控制技术使DWDM系统可实现超长距离（数千公里）传输，与前一代系统相比，这也是第三代传输系统的重要发展。目前，集成电路技术已可集成微电机系统（MEMS），它为大容量光交叉连接设备（OXC）的实现打下了基础，使第三代传输系统具有基于波长上/下和交叉连接的多种拓扑结构，
MPLS技术与OXC的结合称为多协议波长交换（MPλS），在类似于Internet网OSPF的协议控制下实现波长的选路。波长路由技术使自动交换光网络（ASON）成为可能，借助于类似于IP的协议，它把光传输系统的功能从传输、恢复和链路管理扩展到连接接纳控制、传输通路调度信令、波长选路和拓扑发现等，即在光的层面上实现波长的按需交换，以快速响应大客户需求。

３
基于高频谱利用率的宽带ＣＤＭＡ移动通信系统

　　第一代移动通信是模拟制，双工方式为FDD，多址方式为FDMA，基于电路交换网络（如TACS、AMPS等）。第二代移动通信是数字制，话音为低比特率编码（6~13kb
/ s），射频为GMSK或QPSK数字调制，双工方式仍为FDD，多址方式有TDMA和CDMA两类。TDMA把每个载频分为若干个时隙，频谱利用率比第一代系统高数倍，该类型的最主要制式是GSM。

CDMA制式同一小区内同时通话的用户根据地址码（亦称扩频码，通常称伪随机码）的不同来区分，它是一种扩频通信方式，亦称直接序列扩频（DS-SS）。CDMA实现复杂，但抗干扰能力强，比TDMA频谱利用率更高，小区用户容量大，cdmaOne（或称IS-95
CDMA）是其代表。作为第二代移动通信，无论是TDMA还是CDMA都基于电路交换网络，尽管具有支持短消息业务（SMS）的能力，但主要业务还是电话。

　　为了适应数据业务发展需要，在第二代移动通信基础上发展出所谓第二代半技术（2.5G），在GSM网上称为通用分组无线业务（GPRS），根据业务需要和可用的频谱资源，用合并时隙的方法，GPRS终端可支持高达115kb
/ s的分组数据业务。与此相类似，CDMA运营者可采用移动IP技术，通过分组数据节点（PDSN），把CDMA基站控制器连接到Internet，可提供高于100kb
/ s的数据业务。

　　为了开辟新频段，开发频谱利用率更高的技术，支持高速数据和多媒体业务，从90年代起，国际电信联盟（ITU）开始研究第三代移动通信系统（3G），命名为IMT-2000，该系统使用2GHz附近频段（世界无线大会（WRC）初步分配了1885~2025MHz和2110~2200MHz频段）。在建议M.1225中，ITU-R对3G明确了4点基本要求：
（1）所支持的业务类型包括高质量话音、高质量（误码率优于1×10-6）电路交换和分组交换数据，并能提供增值业务和智能网业务；
（2）可工作于以下环境：移动卫星、高速移动（对FDD系统要求移动速度达500km
/ h，对TDD系统要求达120km / h）可支持144kb / s
业务、慢速移动（30km / h）可支持384kb / s业务、室内移动（3km
/h）可支持2Mb
/ s业务；（3）全球无缝覆盖；（4）与2G系统兼容，方便过渡和发展。此外，还应满足高频谱效率、低成本和高安全性等要求。

　　第三代移动通信的主要特征是基于分组网络。2000年，世界无线电大会通过了3G地面系统无线传输技术的五种标准，其中主流为基于CDMA的三种技术，另有基于TDMA的两种技术。基于CDMA的无线传输技术可按双工方式分为FDD和TDD两大类，其中FDD方式又可分为IMT-DS和IMT-MC。

　　 IMT-2000 CDMA DS（简称IMT-DS，业界称WCDMA）以5MHz为信道基本带宽，将基本码片速率定为3.84Mc
/ s，在一个完整的信道内使用直接扩频调制。该方案充分考虑了与GSM系统的互操作性和对GSM核心网的兼容性。IMT-2000
CDMA MC（简称IMT-MC，即多载波方案，又称cdma2000）基于cdmaOne的平滑升级，其中cdma2000
1x直接使用cdmaOne的一个基本信道（带宽1.25MHz），1x支持的业务速率可达307kb
/ s，1xEV-DO最高可达2.4Mb / s，而1xEV-DV可以兼容话音和数据，其数据速率最高可达5.2Mb
/ s。IMT-MC的原设计还可通过频分复用，使用cdmaOne的3个基本信道进行多载波扩频调制，被称为cdma2000
3x，预期能进一步增强数据传输速率，但由于1xEV的发展，看来3x的必要性不大。

　　在第三代移动通信中，TDD首次被作为公众移动通信系统的主流技术，
TDD上、下行使用同一频率，可节省频率资源，通过对时隙的灵活分配，允许上、下行链路数据业务速率不对称，特别适合IP类业务应用。由于同时采用TDMA和CDMA技术，适于对GSM网络的兼容。IMT-2000
CDMA TDD（简称IMT-TD）包括低码片速率（1.28Mc / s）和高码片速率（3×1.28Mc
/ s）两种选择，前者基于我国电信科学技术研究院TD-SCDMA方案，并由中国无线通信标准组织（CWTS）提出建议，后者即欧洲电信标准协会（ETSI）提出的UTRA-TDD（亦称TD-CDMA）建议。由于TD-SCDMA使用智能天线，其频谱利用率高于第三代移动通信中的其它方式，所以特别适于高话务密度地区使用。

４
基于信息服务网络平台，面向实时多媒yes"> 体交互业务应用的下一代Ｉｎｔｅｒｎｅｔ

　　第一代Internet的标志是TCP / IP协议，通过该协议把世界各地的上百万计算机连接起来，其主要应用为E-mail。第二代Internet的标志是Web技术，通过该技术把上万个网站上的网页连接起来，其主要应用是Web信息浏览和电子商务等信息服务。Web信息的基本组成是网页，它由文件和图像构成，属半结构化信息，在网络应用层，通过Web浏览器和浏览服务器，Web信息以HTTP协议传输，然而在传送层仍然需要使用TCP
/ IP协议。

　　第三代Internet的平台基于信息服务网络，其主要特点是把计算机、服务器、数据库和软件以及各种信息获取设备连成一体，协同工作。整个网络如同一台巨型计算机，或者说用户看到的不是数不清的网站，
而是单一的入口，这种一体化特征是信息服务网络与Web应用的主要区别。第三代Internet的主要应用为实时多媒体交互业务，传送的主要是媒体流信息。它由连续的视频和音频帧组成，与Web信息的区别主要在于，它是实时的和动态的，并且需要高百倍到千倍的带宽支持。
在网络应用层，
媒体流信息利用媒体信息广播器和媒体信息接收器以RTP、UDP等协议传送。　

摘自《电信快报》

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