下一代電信網的研究—電信網的分代
蔣林濤 2003/08/25
摘要 分析了對下一代網進行研究與分代的迫切性，闡述了第一代、第二代、第三代和過渡代電信網的特點及其發(fā)展歷程，探討了電信網的分代準則。
一、概 述
電信業(yè)的發(fā)展進入了十字路口，不指明電信業(yè)的發(fā)展方向，電信業(yè)將難以發(fā)展。因此，對下一代電信網的研究，并給出明確結論，已到了極為迫切的程度。
國際上對下一代電信網的研究已進行了將近10年，從GII到NGN，一直在探求下一代電信網的發(fā)展方向及其主流技術，時至今日尚無統(tǒng)一的觀點。在國內，下一代電信網也是電信界的研究熱點，電信界的專家們從各自的技術背景和不同的角度出發(fā)進行研究和探討，對下一代電信網提出了各自不同的見解和看法。同樣，到目前為止，也沒有統(tǒng)一的觀點。長期研究但一直沒有明確結論的原因之一是，對電信網的分代沒有一個統(tǒng)一的分代準則。大家都在談論下一代電信網，那么上一代電信網是什么，下一代電信網是什么，電信網分代的準則是什么，不弄清這些問題，就很難深入討論。
電信網必須有標志性的技術進展和突破才能談到“分代”，否則就不能認為是分代。電信網分代必須是電信網的整體發(fā)生革命性變化，而不是局部技術的進步。基于這些考慮，筆者認為，按電信網采用的核心技術來對電信網分代比較合理，也比較能給出其本質的內涵。以此為判斷準則，縱觀100多年電信發(fā)展的歷史，電信網的發(fā)展經歷了兩代，目前正在向第三代電信網演進。
電信網的核心技術可分為：
（1）第一代電信網的核心技術：模擬通信技術。
（2）第二代電信網的核心技術：基于TDM電路交換的數字通信技術。
（3）第三代電信網的核心技術：基于統(tǒng)計復用分組交換的數字通信技術。
目前的電信網是過渡代電信網，它采用的是TDM電路交換與分組交換相混合的數字通信技術，是多業(yè)務網、多業(yè)務承載網的體系結構。目前的電信網屬于2.5代電信網，即它是過渡代電信網，孕育著第3代電信網的技術。電信網的換代是由業(yè)務需求（質量、數量）推動的，電信網的演進和更新?lián)Q代的發(fā)展是市場趨動的結果，是時代進步的產物。
二、第一代電信網
第一代電信網是以模擬通信技術為核心技術的電信網，電信網中的全部設備都是采用模擬通信技術來設計、制造的。第一代電信網中的所有設備是用于產生、存儲、交換、傳送模擬電信信息，實現(xiàn)模擬電信信息的通信。第一代電信網中的終端是模擬終端，實現(xiàn)自然信息（話音等）與模擬電信信息的相互轉換。交換是采用模擬交換設備（步進、縱橫交換機），傳輸則是采用以FDM（頻分復用，模擬載波調制）為其技術基礎的模擬傳輸設備。這一代電信網的特點是，業(yè)務種類簡單（電話、電報），業(yè)務的全程全網是模擬信息的處理。電信業(yè)務是采用面向連接的工作方式，為每一對用戶連接提供的資源都是獨占的（一個頻段和一組交換觸點），從而可保證電信業(yè)務的服務質量。
推動以模擬通信技術為核心技術的電信網（第一代電信網）向以基于TDM電路交換數字通信技術為核心技術的電信網（第二代電信網）發(fā)展的動力，來自對提高業(yè)務質量的要求，特別是對提高長途電話質量的要求。由于模擬電話增音放大過程中的噪音倍增，使得長途電話的質量受到嚴重的影響，特別是越洋電話等超長途傳輸，更要求能提供必要的服務質量。在技術上，“納奎斯特”定理證明了可以從兩倍于模擬頻率的抽象中完全無失真地恢復原模擬信號，奠定了數字通信的基礎。半導體技術的發(fā)展使數字通信技術的應用成為可能，于是第二代電信網蓬勃發(fā)展起來。
三、第二代電信網
第二代電信網是以基于TDM電路交換數字通信技術為核心技術的電信網，電信網中的全部設備都是采用基于TDM電路交換的數字通信技術來設計、制造的。第二代電信網中的所有設備均是用于產生、存儲、交換、傳輸數字化電信信息，實現(xiàn)電信信息的遠程通信設備。由于經濟上的原因，數字技術與模擬技術相比，用戶環(huán)路及終端設備沒有體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。第二代電信網中，終端設備沒有發(fā)生變化，仍采用模擬終端。交換設備與傳輸設備則完全采用了基于TDM電路交換的數字通信技術。交換采用以時隙交換為其技術基礎的數字程控交換機，傳輸設備則采用基于時分復用技術的PDH與SDH數字傳輸設備。第二代電信網的特點是，業(yè)務種類簡單（電話、電報、用戶電報），業(yè)務的全程全網除了用戶環(huán)路外，全部采用基于TDM的數字通信技術，業(yè)務是面向連接的業(yè)務，每一對用戶間的連接資源在通信的全過程中均是獨占的（一個或多個時隙），以保證電信業(yè)務的服務質量。不難看出，從第一代電信網到第二代電信網，通信技術由模擬通信技術轉向數字通信技術，發(fā)生了革命性的變化，實現(xiàn)了更新?lián)Q代。由于第二代電信網的業(yè)務（電話、電報）類型和業(yè)務的工作方式（面向連接，資源獨占）都沒有發(fā)生變化，特別是用戶環(huán)路與終端設備沒有發(fā)生改變（仍為模擬工作方式），因而過渡進展得很順利，我國僅用數年就完成了全部電信網的數字化工程，建成了第二代電信網。
四、第三代電信網
向第三代電信網演進的工作，實際上從上世紀80年代末就開始了。業(yè)務多樣化對業(yè)務的綜合要求以及為降低運營成本、簡化運營體系而減少運營網的種類的要求，是導致向第三代電信網發(fā)展的根本原因。傳統(tǒng)電信網是以業(yè)務為基礎建網，有多少種業(yè)務就建立多少個運營網。運營網過多，運營成本昂貴，既不利于運營商的經營，也不利于用戶的使用。為此，長期以來，電信專家一直致力于電信業(yè)務的綜合，期望能通過業(yè)務的綜合來簡化運營網，降低運營成本，促進電信業(yè)的發(fā)展。最初的嘗試是基于TDM技術的N-ISDN。N-ISDN曾經在日本和西歐搞得轟轟烈烈，但最終因基于TDM時隙交換技術的N-ISDN很難綜合寬帶業(yè)務與窄帶業(yè)務，并且TDM技術對數據通信業(yè)務的效率低下而被否定。上世紀90年代初，電信專家認定，基于分組交換的數字通信技術可以實現(xiàn)業(yè)務綜合，實現(xiàn)長期以來電信界的理想，并認定基于分組交換的數字通信技術將是下一代電信網的核心技術，提出了B-ISDN以ATM為核心的說法。上世紀80年代至90年代中期，ATM曾經有過輝煌的歷史，絕大部分電信專家認為ATM可以一統(tǒng)天下。事實上，在技術層面，ATM也的確做到了實時業(yè)務、非實時業(yè)務、寬帶業(yè)務和窄帶業(yè)務的完全綜合（至少在實驗網的范疇內是這樣）。應該說，如果繼續(xù)沿著ATM這條路走下去，并沒有外界突發(fā)因素，ATM原本是有可能成功的。當然，ATM核心網的設計可能要做較大的變化。但是，電信的發(fā)展并不以人們的意志為轉移，ATM在其發(fā)展過程中，外部環(huán)境發(fā)生了突變，使得它賴以發(fā)展的條件（傳輸資源緊缺，傳輸資源價格昂貴，用提高節(jié)點設備ATM交換機的復雜度來換取傳輸帶寬是值得的，可降低系統(tǒng)總體費用）已不復存在。隨著光纖通信技術的發(fā)展，傳輸資源價格快速下降，是導致ATM不能成為下一代電信網核心技術的主要原因之一。具體地說，ATM是采用面向連接的工作方式工作的，面向連接必然要用到信令，而信令是通信系統(tǒng)中最為復雜的技術。另外，ATM是采用統(tǒng)計復用的分組交換工作方式的，在這種條件下，要保證端到端業(yè)務的服務質量就必須采用十分復雜的控制技術。特別是ATM要為每一對端到端的連接保持嚴格的資源控制，復雜度可想而知，由此導致ATM節(jié)點設備十分復雜。與此同時，外部條件發(fā)生了巨變。光纖通信技術的發(fā)展，特別是密集波分復用技術（DWDM）的出現(xiàn)，傳輸資源已不再稀缺，也不再昂貴。為了節(jié)省這些不再稀缺和不再昂貴的傳輸資源，而使節(jié)點設備（ATM交換機）極大地復雜化，顯然是得不償失的，這是ATM從全盛走向衰亡的一個十分重要的原因。當然，ATM商業(yè)運作的失敗，業(yè)務起點選擇過高，也導致ATM業(yè)務無法快速推廣。以多媒體業(yè)務作為其核心業(yè)務（Killer
Application），不符合電信的商業(yè)模式，也是ATM從全盛走向衰亡的一個重要原因。
近年來，由于IP技術的進展不力，特別是幾個關鍵技術沒有突破性進展，ATM在電信網和在大型企業(yè)網中再一次得到重視，ATM交換機的銷售出現(xiàn)了一個新的高潮。于是，ATM將是下一代電信網的核心技術之說又有相當程度的抬頭。由于這種看法對下一代電信網的走向有重大影響，因而有必要進行進一步探討。必須指出，近年來ATM交換機出現(xiàn)銷售高潮的主要原因是，IP網在安全、服務質量方面存在嚴重缺陷，而業(yè)務的發(fā)展又對IP網的安全、服務質量方面提出了很高要求，IP網的技術現(xiàn)狀和業(yè)務發(fā)展與網絡的需求之間存在著巨大的差距。設備開發(fā)商和系統(tǒng)集成商無力改變IP網的技術現(xiàn)狀，但又必須滿足業(yè)務發(fā)展對網絡的需求，于是提出了“2層＋3層”的IP網過渡性結構體系，用ATM的PVC(永久虛電路)組成若干個資源獨立的虛擬專網（VPN）。由于ATM的VPN具有很好的資源獨立性，可以確保用戶所需的傳輸資源，同時又具有很好的信息隔離性，可保證業(yè)務網之間的安全性，這就構成了所謂的“第2層”體系。在ATM虛擬專網（VPN）的基礎上，構成若干個物理上完全隔離的路由器網，由該路由器網構成“第3層”架構。當然，這里的路由器可以是物理路由器，也可以是ATM邊緣交換機上的虛擬路由器，它們的本質是一樣的。很顯然，在“2層＋3層”的IP網體系結構中，ATM是一種只是因為IP網技術目前還存在嚴重缺陷而采用的一種補救措施，一旦IP網將上述問題解決，ATM將無存在必要。從技術層面來講，這種設計在技術上是不合理的，將導致功能的重復和設備上的重疊以及傳輸和處理開銷的加大。另一方面，ATM不直接提供業(yè)務，曾經有過的ATM業(yè)務系統(tǒng)標準，也已不再使用。目前，世界各大標準化組織沒有一個仍在繼續(xù)進行ATM的標準化研究工作。ATM目前廣泛使用的只是PVC，而PVC也只提供數字專線服務。全網使用SVC（交換虛電路）的運營商級的大網從來沒有實現(xiàn)過。因此，運營商級的大網中完全使用SVC后，是否能保證每一對端到端業(yè)務的服務質量，在技術上是有疑問的。對這些極為棘手的問題，目前并沒有人去作進一步的研究。凡此種種，可以得出這樣的結論：目前ATM交換機數量的上升，是為了回避IP網中棘手問題的產物，是一種權宜之計。ATM的復雜性，不直接提供業(yè)務，沒有進一步開展標準化工作，已決定基于ATM的數字通信技術不可能成為下一代電信網的核心技術。
既然ATM技術不可能成為下一代電信網的核心技術，那么分組交換技術中的另一個重要分支IP技術就可能成為下一代電信網的核心技術，這的確是上世紀末和本世紀初絕大多數電信專家的看法。IP技術與ATM技術都是基于分組交換的數字通信技術，它們的主要區(qū)別在于，IP技術是采用不面向連接的工作方式，而ATM技術則是采用面向連接的工作方式。IP技術采用不面向連接的工作方式，無需通過信令為端到端的業(yè)務通信建立連接。眾所周知，在通信系統(tǒng)中，信令是最為復雜的技術之一，省去了信令，就意味著大大簡化了節(jié)點設備的復雜度。由于采用不面向連接的工作方式，即無需為端到端的業(yè)務建立連接，亦無需為端到端的業(yè)務連接保障所需的資源，以達到所需服務質量的目的。正因為如此，其節(jié)點設備大為簡化。網絡節(jié)點設備復雜性的下降所帶來的問題是，不能以最有效的辦法為確保端到端業(yè)務的服務質量提供網絡的傳輸資源，這對于傳輸資源十分緊缺、傳輸資源價格十分昂貴的情況下，是致命的缺點。但是，光纖通信技術的發(fā)展，特別是DWDM的廣泛商用，傳輸資源已不成問題。從通信網的綜合成本來考慮，以降低傳輸資源的使用效率達到降低網絡節(jié)點設備復雜度的方法，也達到了降低通信網的綜合成本的目的，是一種十分合理的選擇，這一點正是決定IP技術是下一代網核心技術的關鍵所在。當然，對電信商業(yè)網來說，決不能只顧網絡系統(tǒng)的價格便宜，而不顧作為商業(yè)網必須考慮的問題，如保證業(yè)務的服務質量（QoS）問題、網絡的安全性和可信任性問題等。這些問題是必須考慮并予以解決的。技術是具有靈活性的，上述問題的解決有多種途徑，面向連接是一條途徑，采用不面向連接的工作方式同樣也行得通，當然技術需要創(chuàng)新。
Web的成功（業(yè)務與網絡特性匹配的典范），導致Internet爆炸性發(fā)展，已發(fā)展成足以和電信網抗衡的全球性大網。隨著非實時業(yè)務的成功及網絡規(guī)模的迅速擴大，電信業(yè)務很快成為Internet力求發(fā)展的業(yè)務，電信業(yè)務中的最大贏利點--電話業(yè)務更成為Internet力求發(fā)展的重中之重的業(yè)務。結果，VoIP設備被迅速制造出來，并立刻進入了商用。實際測試結果表明，只要IP網設計合理，IP電話的質量完全可以達到傳統(tǒng)電話的質量。至此，電信網中的最關鍵業(yè)務被IP技術所突破。其結果是，上世紀末至本世紀初（即約3年前），國內電信界的絕大多數專家都認為，基于IP分組數字通信技術將會是下一代電信網的核心技術，下一代電信網將會是IP網。根據電信業(yè)務的要求，電信專家指出，IP網在服務質量（QoS）及網絡安全性能方面存在嚴重問題，必須下決心去解決。當時，電信界的專家是充滿信心的，認為這些問題不難在兩三年內克服。但三四年過去了，IP技術沒有發(fā)生根本變化，電信專家的期望沒有實現(xiàn)。三四年前IP網存在的問題，三四年后的IP網依然存在。在此期間，IT界一直在努力改進IP網的性能，相應標準與設備產品也不斷制造出來，一切努力都沒有使問題發(fā)生本質上的改變，這又使得電信專家對自己在三四年前所下的結論開始懷疑起來，懷疑IP技術的能力，懷疑IP技術用于電信網的可能性。顯然，IP技術在進入電信過程中產生了極大的問題，它導致電信專家的觀點發(fā)生了根本的變化。安全與服務質量問題是否是IP技術的克星，是否是不可逾越的障礙，答案是否定的。反復研究表明，IP技術在電信業(yè)務中的失敗，問題不是出在IP技術本身有什么問題，而是出在Internet網的設計理念與電信網設計理念之間的巨大差距。Internet是以用戶為核心，以用戶自律為基礎的非贏利性網絡，沒有中心，無需管理，網絡的運營者不負責網絡的安全，也不負責業(yè)務的贏利。Internet先是用于軍事，隨后用于教學科研，沒有商業(yè)模型，無需贏利。直到Web取得巨大成功，才將它推向商用。正因為如此，Internet在商用上是有先天缺陷的。電信網則一開始就是以商業(yè)經營為目的的網絡，它必須具有商業(yè)經營所必備的全部屬性。這二者的巨大差異決定了從Internet到用于電信目的的IP網，不會是一個簡單的借用過程，在設計上必需發(fā)生質的改變。很可惜，這一觀點直到三四年后才為人們所認識。到目前為止，所謂電信級設備或電信級IP網還只是簡單地將Internet搬過來，沒有進行實質性的變化，只是在設備的冗余度和可靠性方面接近電信網節(jié)點的水平。這才是近三四年用于電信業(yè)務網目的的IP技術沒有取得進展的關鍵原因所在。
從目前的現(xiàn)實情況來看，企業(yè)網中（無論大型企業(yè)網或中小型企業(yè)網）的業(yè)務幾乎100%是IP業(yè)務，電信網上的業(yè)務也有快速IP化的趨勢。目前，電信業(yè)務主要有3類。其中一類是電話業(yè)務。迄今為止，TDM電話仍占著統(tǒng)治地位，特別是在本地網上。但IP電話在中國的成功，從理論上和實踐上都已證實，IP電話可供電信商用，在技術上并不存在不可逾越的困難，IP電話有迅速擴展使用的趨勢。第二類是數據承載網業(yè)務。電信目前能提供的數據業(yè)務承載網有二個，一個是X.25業(yè)務，這是真正可以實現(xiàn)端到端尋址的數據業(yè)務。由于其技術已落后，已不再列入發(fā)展之列，業(yè)務量也已很少。另一個是IP業(yè)務，在電信數據業(yè)務中，IP業(yè)務已占95%以上�？梢哉f，數據承載網業(yè)務已基本IP化。第三類是專線業(yè)務，無論是DDN、F.R和ATM，這些專線都是租給企業(yè)用戶的，而企業(yè)用戶中其業(yè)務量的100%都是IP業(yè)務，間接地算，專線網上主要也是IP業(yè)務。近來，視訊業(yè)務的發(fā)展趨勢非常明顯，視訊業(yè)務的絕大部分目前也是IP業(yè)務。不難看出，在目前電信網的業(yè)務中，除了電話業(yè)務外，都是IP業(yè)務。在可見的未來電信網中，IP電話將逐步取代傳統(tǒng)電話，最終將完全IP化。電信業(yè)務的完全IP化，是電信網向下一代網邁出的極為關鍵的一步。
從理論上講，分組交換技術能夠綜合實時業(yè)務與非實時業(yè)務，寬帶和窄帶業(yè)務，是實現(xiàn)電信業(yè)務綜合的最佳技術。IP技術采用不面向連接的工作方式，簡化了信令，又克服了為端到端連接提供資源保證而帶來節(jié)點設備復雜化的問題。光纖通信技術的發(fā)展，DWDM的大量商用，使得傳輸資源不再緊缺，也不再昂貴，IP技術與傳送網技術的發(fā)展是匹配的。因此，基于IP分組的數據通信技術應該是下一代電信網的核心技術。
近三四年電信業(yè)務及電信網的IP化之所以沒有取得預期的效果，其根本原因是電信界的專家盲從Internet，將基于Internet設計理念的IP網不加改變地照搬過來，試圖在其上加載電信業(yè)務，來實現(xiàn)電信網的過渡，而不考慮二者之間巨大的設計理念的差異和Internet在設計上的固有缺陷。既然要將IP技術用于電信網，就不能不考慮電信網的特點、電信網的要求及其商業(yè)目的，就不能不對Internet與電信網的設計理念進行深入研究�？紤]電信網的設計理念，改造IP網，使之成為真正能用于電信目的的IP網，將是下一代電信網的方向。
第三代電信網是以基于統(tǒng)計復用分組交換的數字通信技術為核心技術的電信網。更確切的說，它是以基于IP分組的數字通信技術為核心技術的電信網，電信網中的全部設備都是用IP分組的數字通信技術來設計、制造的。第三代電信網中的所有設備均是用于產生、存儲、交換、傳輸數字化電信信息，實現(xiàn)電信信息的通信設備。下一代電信網這個概念并不是現(xiàn)在才有的，而是在上世紀80年代末、90年代初就已經提出來了。電信專家為此作出了不屈不撓的努力，在摸索中不斷前進。經過10余年的研究和實踐，認識到基于IP分組的數字通信技術才是第三代電信網的核心技術。
五、過渡代電信網
當前，正在運營中的電信網是過渡代電信網，也可以稱之為2.5代電信網。過渡代電信網是以基于TDM數字通信網技術和基于分組交換的數字通信技術為核心技術的電信網。形成過渡代電信網的原因是業(yè)務的需求，特別是數據業(yè)務發(fā)展的需求。基于TDM的電路交換網，其物理連接即為其電路連接，其面向連接和資源的獨占性使得電路交換技術在數據通信中效率低下，難于實現(xiàn)基于虛電路方式的數據通信。然而，TDM技術與電話業(yè)務是相適應的，在采用了DCME技術后，也可保證電話業(yè)務有足夠高的傳輸效率。二種技術各有特色，各有其特有的用途，這是兩種技術的相持階段。這個階段電信網的特點是，按業(yè)務建網，網絡種類繁多，基礎網有基于TDM技術的電話網，基于分組交換技術的X.25網、F.R網與ATM網，業(yè)務網有E-mail網、EDI網、傳真存儲轉發(fā)網、可視圖文業(yè)務網、電報網、用戶電報網等近10個覆蓋全國的業(yè)務網。這些網中，除電話網是基于TDM技術外，其余全部是基于分組交換技術。這一階段的技術特點是，兩大技術（TDM與分組交換）并存，各自獨立發(fā)展，百花齊放，百家爭鳴，通信界呈現(xiàn)欣欣向榮的景象。另一個特點是，不論是電路交換或分組交換，全部采用面向連接的工作方式。當前正在運營中的電信網的最大問題是，運營網過多，運營復雜度和電信網經營成本太高，電信運營商難于接受，因而它只能是過渡代電信網，必將向第三代電信網演進。
六、結束語
目前，下一代電信網的研究是熱點問題，其中不乏概念上的問題，分代的原則是這些問題中的一個。概念不一，各唱各的調，很難有一致的觀點。本文提出了分代準則，并詳細地探討了電信網的分代，旨在拋磚引玉，希望引起電信同行的關注，并最終達成一致的看法。
電信網技術
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