现代通信网络的关键技术

现代通信网络的关键技术 信息与电子学院            2220110145 （一）通信网的现状 1835年莫尔斯发明了电报。1876年贝尔发明了电话。此后在长达近百年的时间里，这两种电信业务一直处于垄断地位。60年代初，半导体技术长足的进步与计算机应用的普及，使通信事业发生革命性的变化。C&C(Computer Communication)已成为现代通信的同义语。 数字化和业务的多样化是现代通信的两个重要特点，以数字“0”和“1”表示的信息具有很高的传输质量，并且便于进行通信处理和信息处理。随着科学技术的进步和经济文化的发展，社会需求的通信业务的种类不断增加．表1列出了一些国家已经投入运营的各种通信网。 电话网将世界上现有的几亿部电话机相互连接，构成当代最大的通信系统。目前各国电信部门广泛利用数字程控交换技术和数字传输技术对模拟电话网进行改造，从而能够不断增设新的附加业务，提高通话质量，进一步降低设备与网路运行管理的成本，使电话网逐步向综合数字网(IDN：Integrated Digital Network)过渡。 数据通信网不仅能够传送数据，还可利用配置在网内的计算中心进行数据处理。它在社会生活中发挥着重要的作用。尤其是采用著名的x．25通信协议的分组交换网近年来获得了迅速发展，已成为仅次于电话网的国际第二大通信网。与此相反，电信网呈现出停滞乃至衰落的趋势，将来可能完全被数据通信网取代。这是因为数据网完全具备电信网的功能，能够高速提供所有电报业务的缘故。 移动通信网是利用无线信道将汽车、船舶和飞机等移动体和电话网等固定的通信网相连的通信网。近年来，移动通信业务发展迅速，各发达国家每年以高速率增长。为了进一步扩大移动用户数，便于与数字电话网互通以及与ISDN网综合，今后将主要发展900MHz数字移动通信系统。在移动通信网中需要移动体定位及跟踪交换等特殊的网管技术。 当前，在图像通信中应用最广的是传真(FAX)业务。尤其在一些不习惯利用键盘输入字符的国家得到迅速推广。在一些发达国家中可视图文(Video text)业务也逐渐普及。它能够非常便利地向人们提供电信购物、新闻检索和经济信息等服务，具有广阔的发展前景，可视电话与会议电视等动图像通信业务是最重要的交互型视频通信业务。会议电视具有清晰的画面及逼真的临场感，它不仅能够缓解日益严峻的交通状况，而且可以节省大量的时间和经费，提高工作效率。 增值通信网(VAN：Value Added Network)1973年始于美国。当时许多经营者利用从电信、公司租用的线路组建分组交换网，然后再出租来获取利润。起初这种通信网被称作VAN，后来把凡具有协议变换、速率变换和存储功能的数据通信网统称为VAN。它的资费低廉。用户可利用网路中丰富的通信协议和任何通信对象进行通信。 ISDN是以公用电话网IDN为基础构成的。它以标准的用户一网络接口实现端到端的数字连接，此外，其信息通路与信令通路相分离，并得到No．7信令网的支持。总之它是严格按照CCITT l系列建议组建的通信网。当前经常看到在局域网(LAN)中实现ISDN的提法。这是一个错误的概念，虽然功能强化的计算机局域网中可能包容多种通信媒体，即除具有通常的LN的功能外尚能提供电话、FAX和会议电视等等多种业务，但是它只是一个多媒体的高级办公自动化(OA)系统，而绝非ISDN，LAN只能作为ISDN的一个终端通过I系列接口接入ISDN。 当前，以微电子技术和软件技术为核心的信息通信技术进入了一个新的高度。材料与器件向超高密度化、超高速化、超小型化及光化发展。在信息处理技术中将广泛利用知识工程和人工智能(AI)技术，朝向智能化、拟人化发展。通信网技术向高速、大容量和移动性发展。通信器件与线路的”超化”、“光化”、传输与交换系统的大容量化以及人工智能和知识工程的导人与应用使通信业务呈现以下特点： (1)通信业务发生质的变化：从以电话为中心的话音通信向可视的图文与图像通信扩展，改变以往以发信人为主体的通信方式，使发信人与收信人在通信中处于对等地位，从而体现对于个人的尊重。鉴于通信在社会生活中的重要地位，要求通信业务具有极高的可靠性。 (2)通信业务的多样化：由于语音、字符、图像和信息媒体的扩展，将涌现出丰富多采的通信业务、终端和信息源。就通信业务而言，可以举出不出门即可获得的电视会议、电信诊病、电子购票及购物等业务，令人心情舒畅的壁挂图像业务、多画面电视业务以及具有高度临场感的立体影视剧场业务，外出时可以利用的电信监护、家电遥控等业务。就信息源而言，可举出电子报刊、电子图书馆、电子美术馆等。就终端而言，携带便利的袖珍电话将得到普及，超薄型大屏幕显示器使人们在室内充分领略到自然景色和珍品佳作。 (3)业务高级化：采用识别与理解的高级信息处理技术能够很方便地实现各种高级通信业务。例如，易于呼叫的语音拨号、书写字符输入、节省时间的电子秘书、代行数据库检索的操作、协助作出判断的战略信息系统、支援系统以及克服语言障碍的翻译系统等。 （二）通信网的发展动向 可视化、智能化及个人化是今后通信业务发展的总趋势。它将对通信网的发展与变化产生深刻的影响。图像业务迅速发展。预测到2005年一些发达国家拥有的各类视频终端(包括可视电话)总数可与目前接入公用网的电话机总量相匹敌。因图像业务占用很宽的频带，网路传送的信息量将会大大增加。因此，发展宽带通信网是通信领域中紧迫的任务之一。 智能处理与通信相结合，通信网将提供包括个人通信在内的各种高级通信业务。为了完成自动翻译、位置登录、号码变换、对用户跟踪和用户身份验证等操作。访问数据库的频度急剧增加。由此可见，必须导入智能网(IN：Intelligent Network)以实现高级业务的接续控制。 1） 通信网的宽带化 研究表明，可以采用异步转移模式(ATM：Asynchronous Transfcr Mede)和光交换方式实现通信网的宽带化。无论采用哪一种技术，都必须开发大容量的光通信系统并使用户网络光纤化。 (1)异步转移模式。ATM本质上是一种高速分组交换模式。它能够适应从速率低于数千比特到高达数百兆比特的各种业务。以ATM实现B—ISDN的技术困难较少。美、日、法、德等国已组建ATM实验网，基于上述理由，CCITI"于1988年在I．121建议中明确提出ATM是实现B—ISDN(Board ISDN)的传送方式，并在1990年5月于日内瓦召开的第十八研究组全会上提出了较为详细的B—ISDN建议草案。1992年在第9会期末将提出第一版ATM技术的B—ISDN建议。1995年将开展B—ISDN的商用业务。1996年公布B—ISDN的正式建议。 (2)光交换方式。当前，通信网中已普遍采用光纤通信，如进一步导人光交换技术，即可实现光交换与光传输一体化的全光交换网。光交换网将完成通信网与广播网的综合。它不仅具有良好的通信网的功能，并且至少可提供300个高清晰度电视(HDTV：High Definition Television)频道。这是无线方式的电视广播网(至多提数10个频道)无法比拟的。光交换网的技术难点较多，目前仍处于基础研究阶段，但已引起人们的高度重视，估计不久可进入实用化阶段。 2）通信网的智能化与个人化 为了实现智能化，智能网应提供能对用户信息进行高级处理(例如通信媒体变换和自动回译等)的“通信／信息处理业务，，和使通信线路接续方式高级化的“高级接续业务”。为了实现个人化，应发展使用户能够在移动中接入的无线接人手统以及进行移动管理的高级接续业务。无线接人系统是能够提供话音、传真和数据通信等多媒体化的系统。高级接续业务则要求信息传送系统和数据库功能的高速、大容量化以及接口的标准化，使之具有跨越多个网络进行灵活控制的能力。 2．1  21世纪的通信网结构 进入21世纪后，一方面，数据信息业务量将成为主要，另一方面，移动终端数将更为普遍。这两项预测对我们考虑未来的通信建设有着极其重要的指导意义。 首先，未来的通信网，尤其是有线固定通信网，将是大容量通信网，所承担的信息业务是以数据信息为重点，网内设施、结构和功能必然首先照顾数据信息，让数据得到最好、最快的传送效率。长期以来传统的公用交换电话网PSTN(public switched telephone network使用电路交换(circuit switching)已不适合了，应该考虑为数据信息服务的分组交换(packet switching)。数据信息宜于采用互联网规约IP，而在统一的通信网，每种信息都应该使用IP。为了使这统一的通信网兼顾传送电话信息，而且保证电话通信双方实时会话所需的业务质量，必须研究IP电话的技术使之达到这样的要求。由此，可以有把握地说，未来的通信传送核心网必将是以数据为重点的分组交换网，而且由它成为国家的统一通信网，不断地扩大容量和充实设施，以适应形势的需要。 在90年代中期兴起的Intemet，突然使通信网中信息业务的分布受到巨大冲击，从此，用户计算机数据通信业务量将遥遥领先，将来实行多媒体(multimedia)通信，仍然属于数据为主的通信。未来的通信网在加大容量的同时，必须对数据信息特别照顾，才能获取最好的效果。这就是果断决定未来的通信网将是数据为重点的分组交换网的理由。这样，现已存在的PSTN需要逐步进行改革。但为了节约起见，不是立即废弃原有的通信网设备，而是在筹建新型的未来通信网的同时，仍充分利用和尽快改革原有通信网的设施。 2．2 光纤传输线路和全光通信网 60年代未开始研究光纤通信技术的科学家，绝想不到光通信技术会这般突飞猛进，带来一场声势浩大的电信技术革命。从最初英国公司研制出第一根光纤，到SDH传输技术研究取得突破，从1990年提出全光网概念，到DWDM密集波分复用技术全面商用，光通信技术都吸引了太多的来自世界前沿科技的注意力。即使在移动通信和因特网高速发展的今天，光通信技术仍然能吸引众多的目光，与它们平分秋色。 全光网，可以说是光通信网络技术发展的最高阶段，它是一个应用灵活、可靠、性能稳定的网络，分为核心传输网、区域网和接入网3部分。厉博士说，光网络即光层(Optical Layer)网络，其基本结构是由光纤、WDM设备、光放大器(OA)、光交叉连接设备OXC、光插分复用器(OADM)、网管系统、网络监测系统、网络保护与恢复系统等一起组成的。其中所有设备都是光的。要实现真正意义上的全光网，还有相当的一段距离。从网络的下层来看，随着光通信技术的不断发展，全光网已现雏形，但是，由于在技术上的限制，全光网还有很多技术上的挑战有待克服。 随着全光网的发展，光网络必须要与如因特网、ATM网等其它网络融合，也必须与移动通信网融合。发展全光网的另一个难点是如何与internet、ATM、X．25以及其它网络连接。从这方面说，网络的接口问是一个上层问题，它需要有一个标准的接口协议，也要有一个有效管理软件。 2．3 蜂窝网和卫星移动通信 无线移动通信的最基本形式是利用城市蜂窝网，把城市地区划分为紧密靠近的蜂窝区，每区的覆盖面积可大可小，视人口稠密情况而定。每区使用一个无线电频率，邻区使用不同的频率，但隔二、三区容许使用相同的频率，这种频率再利用(frequency reuse)是蜂窝网节约无线电频谱资源的重要优点。蜂窝网在现时固然已很兴旺，进入21世纪后将继续发展利用。在有些城市的地区，便携式个人手机数众多，就有必要在一个蜂窝区内分设若干微区(microcell)，成为双层结构。 在世纪之交，蜂窝网的手机用户数增长得非常快，但这仅是一方面，还有更重要的另一方面，那就是全世界的主要国家普遍热情关注第三代(3G)无线移动通信系统IMT2000的健康成长，准备打破过去长期存在的各国企业独树一帜、争夺市场的纷乱局面，寻求能力各国都接受的、技术最先进的、全球统一使用的标准，而且不随便废弃已经装置很多而又不太陈旧的设施。原来蜂窝网通信网几乎只提供移动电话业务，手机主要是通电话，现在蜂窝网准备向有线固定通信网经营的业务看齐，而且蜂窝网要接上Intemet，让移动手机附带的便携计算机能够“上网”，实现数据通信和索取数据信息，到将来还能实现多媒体通信。而且，为了照顾上网索取大量数据信息，蜂窝网的每一无线电基台加装多载波正交频分多路OFDM(orthogonal frequency division multiplex．ing)系统设备，对移动用户提供不对称数字传输，与有线通信网采用离散多音调DMT(discrete multi—tone)系统设备相似。这就使移动用户发往基台的上行线路仅是少量数据，而从基台发给移动用户的下行线路能够传送大量信息。总之，对于第三代移动通信系统，人们寄予很大希望，它们在2GHz频段分配较大带宽，藉以传送IP为标记的数据通信，这应该是通信的方向。 卫星通信应该为移动通信，尤其为全球个人通信发挥巨大作用；但90年代这方面做的工作不多。相信进入21世纪后会迫于形势要求，加快步伐，突飞猛进。卫星通信主要分同步卫星GEO(geostationary earth orbit)和低。中轨道卫星族LEO／MEO(10w earth orbit／medium earth orbit)两类。同步卫星近年正在设法加强星上转发器(transponder)的设备和功能，加大发送功率，接收灵敏度，以及进一步加强收发天线的性能，甚至在星上装置ATM交换机，以与陆地固定通信网相沟通，作为远距通信线路的重要环节。低、中轨道卫星离地面较近，它们不会像同步卫星那样传输路程过长而引起过大损耗和过长时延，相应地，与低、中轨道卫星通信的地面终端可以制造得较小和较简单，卫星本身也比同步卫星体积小，较易制造。90年代后期，国际上曾有大企业试放少数低、中卫星系统上天，为全球个人通信服务。初次尝试，难免受到挫折。进入21世纪后，相信LEO／MEO卫星通信必能继续发展，为全球个人通信服务。还有其他无线通信系统，诸如同温层(平流层stratosphere)通信网，短距毫米波通信和无线红外通信，都已开始进行试验。估计进入21世纪后，无线通信必将在多方面快步前 进，其繁荣程度不会亚于有线通信。 （三）现代通信与三网融合技术 一、 三网融合简介 三网融合是指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。 三网融合是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议，在经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起，行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。 所谓“三网融合”，就是指电信网、广播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。“三网融合”是为了实现网络资源的共享，避免低水平的重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速宽带的多媒体基础平台。 “三网融合”后，民众可用电视遥控器打电话，在手机上看电视剧，随需选择网络和终端，只要拉一条线、或无线接入即完成通信、电视、上网等。 “三网融合”后，可以更好的实现网络监控，防止和打击网络犯罪。可以更好的引导网络舆论，控制网络接入商和内容提供商的质量，进一步提高和净化网络环境。将会为创建和谐社会做出重大的贡献。 三网融合可以带来5大好处： 1 信息服务将由单一业务转向文字、话音、数据、图像、视频等多媒体综合业务。 2 有利于极大地减少基础建设投入，并简化网络管理，降低维护成本。 3 将使网络从各自独立的专业网络向综合性网络转变，网络性能得以提升，资源利用水平进一步提高。 4 三网融合是业务的整合，它不仅继承了原有的话音、数据和视频业务，而且通过网络的整合，衍生出了更加丰富的增值业务类型，如图文电视、VOIP、视频邮件和网络游戏等，极大地拓展了业务提供的范围。 5 三网融合打破了电信运营商和广电运营商在视频传输领域长期的恶性竞争状态，各大运营商将在一口锅里抢饭吃，看电视、上网、打电话资费可能打包下调。 二、三网融合主要技术 1、技术基础： 成熟的数字化技术，即语音、数据、图像等信息都可以通过编码成0和1的比特流进行传输和交换，这是三网融合的基本条件； 统一的TCP/IP协议的普遍采用。只有基于独立IP地址，才能实现点对点、点对多点的互动，才能使得各种以IP为基础的业务能在不同的网上实现互通； 光通信技术的发展。只有光通信技术才能提供足够的信息传输速度，保证传输质量，光通信技术也使传输成本大幅下降。 2、光纤交换机 三网合一光纤交换机是一种三网合一光线路终端（OLT），它是一款集成了CATV光信号分配功能的高性能管理型二层三网合一光纤以太网交换机。它提供一个理想的低成本FTTH或FTTB三网合一（数据、语音和CATV）接入解决方案。三网合一光纤交换机提供下联光端口和CATV光信号输出端口，与放置在用户家里的家庭光网络单元（ONU）相联，三网合一光纤交换机为新兴的基于以太网的三网合一FTTx而设计。他功能丰富、全面，应用灵活，特别适合应用于中小电信运营商FTTx网络。系统采用双电源冗余设计，提高应用可靠性。 三网合一光纤交换机提供多种网络管理方式，采用标准RS-232接口、Web浏览器、命令行界面（CLI）和基于简单网络管理协议（SNMP）的网络管理平台。系统管理员能轻松配置功能、监控性能和排除交换机故障。 3、三网融合的接入网技术 近年来，高速大容量的同步数字系列（SDH）光纤通信系统以及波分复用密集技术的成熟，已能满足当前高速宽带通信的要求，而逐渐成熟的ATM交换技术又为宽带综合业务交换奠定了良好基础。宽带接入网络在采用了光纤／同轴电缆混合（HFC）拓扑网络以后，技术上取得了很大的发展，它可以通过一个HFC接入网，同时向用户提供电话、数据和视频图像等综合业务。目前HFC接入网技术已逐步成熟，提供的业务除了电话、模拟广播电视业务外，还可提供窄带ISDN业务、高速数据通信业务、数字视频点播（NVoD）和其他各种高速信息服务业务，它以足够的带宽较好的解决了传输瓶颈问题。即使到了数字电视时代，HFC宽带多媒体接入网仍能以进一步降低每个光结点覆盖的用户数量，增加业务灵活，适应性好，带宽资源丰富，开展高速数据业务和数字电视业务，价廉质优的特点而具很大的竞争力。 同时，HFC不仅仅是用光纤取代了同轴电缆，而且引进了一种新的拓朴结构——节点结构，这种结构使网络很容易向各个小区提供交换服务。三网融合并不是原来的简单延伸，而是将开拓出一个以IP为基础的新一代电信网络，提供IP电话、视频点播、交互式游戏、远程教育、电子商务、远程医疗等应用。 4、主要应用 目前三网融合的主要应用包括互联网电视(IPTV)和网络电话(VOIP)。 IPTV是指利用IP技术，通过宽带网络提供视频业务。IPTV融合了电视业务和电信业务的特点。其优势在于“互动性”与“按需观看”，彻底改变了传统电视单向播放的缺点。 VOIP又名宽带电话，是指基于宽带技术实现的电脑与电脑、电脑与电话、电话与电话之间的通话业务。因无须搭建专属网络，VOIP运营成本低，通话资费大大低于传统电话。 四、三网融合的影响及发展前景 1、工作目标 （一）总体目标 到2015年，实现电信网、广播电视网、互联网融合发展，新型信息产品和服务不断涌现，网络利用率大幅提高，科技创新能力明显增强，国民经济和社会信息化水平迅速提升，网络信息安全和文化安全保障能力进一步增强，信息产业、文化产业和社会事业进一步发展，社会主义进一步繁荣，人民群众享有更加丰富多样、快捷经济的信息和文化服务。 （二）阶段目标 试点阶段（2010-2012年）：以推进广电和电信业务双向阶段性进入为重点，制定三网融合试点方案，选择有条件的地区开展试点，不断扩大试点广度和范围；加快电信网、广播电视网、互联网升级和改进。加快培育市场主体，组建国家级有线电视网络公司，初步形成适度竞争的产业格局；探索建立分工明确、行为规范、运转协调、协同高效的工作机制，调整完善网络规划建设、基础设施共建共享、业务规划发展、网络信息安全和广播电视安全播出、用户权益保护等，基本形成保障三网融合规范有序开展的政策体系和机制体系。 推广阶段（2013-2015年）：推广试点经验，全面推进三网融合；自主创新技术研发和产业化取得突破性进展，掌握一批核心技术，宽带通信网、数字电视网、下一代互联网的网络承载能力进一步提升；网络信息资源、文化内容产品得到充分开发利用，融合业务应用更加普及，适度竞争的网络产业格局基本形成；适应三网融合的体制机制基本建立，相关法律法规基本健全，职责清晰、协调顺畅、决策科学、管理高效的新型监管体系基本形成；网络信息安全和文化安全监管机制不断完善，安全保障能力显著提高。 2、战略意义 三网融合不仅是将现有网络资源有效整合、互联互通，而且会形成新的服务和运营机制，并有利于信息产业结构的优化，以及政策法规的相应变革。融合以后，不仅信息传播、内容和通信服务的方式会发生很大变化，企业应用、个人信息消费的具体形态也将会有质的变化。 3、对电信行业的影响 三网融合对于电信行业的网络建设改造影响非常明显。三网融合将加快电信行业网络升级改造和 FTTX接入进程，短期内主要表现在试点城市宽带提速。为了提供IPTV业务，电信行业必将对网络进行改造，不管是承载网上技术使用，还是接入网上宽带提速，都会是近期内试点过程中的重头戏。目前，电信行业必须加快宽带网络建设，大力推进城镇光纤到户，扩大农村地区宽带网络覆盖范围，全面提高网络技术水平和业务承载能力。 宽带基础设施是三网融合的物理基础。无论是广电还是电信企业，都非常清楚高速宽带在三网融合中的战略地位。目前电信企业的1M～2M带宽，只能支持标准清晰度电视频道和同步宽带互联网连接，不足以支持高清晰度电视等更高端的业务。随着网络电视、三重播放、视频下载等宽带业务的兴起，通信网络的带宽已经逐渐呈现出“力不从心”的瓶颈状态。在部分大中城市，人均拥有的带宽资源不足2M，仅相当于韩国的8.7%。另外，我国宽带的普及率偏低，家庭普及率约为20%，远远落后于发达国家的发展水平，这也直接影响三网融合进程，阻碍了社会信息化水平的提高。当前电信运营商最需要做的就是推动电信网宽带工程建设，大力推进城镇光纤到户，扩大农村地区宽带网络覆盖范围，全面提高网络技术水平和业务承载能力。否则，IPTV等三网融合相关业务的应用就无从谈起。与此同时，电信运营商要不断提高宽带服务水平，把宽带纳入融合产品中进行深入营销，增强业务黏性，提高用户对运营商宽带业务的忠诚度，不断扩大并稳定用户群。交互高速网络是电信企业的优势，电信要想在与广电进行三网融合的合作上拥有更多的话语权，必须不断强化这一优势，牢牢掌控高速宽带这一战略高地。