下一代计算机网络技术：发展趋势

1.3.2.1　数字语音多媒体三网合一

1.电信网

电信网（Telecommunication Network）是指在两个或多个规定的点间提供连接，以便在这些点间建立电信业务的节点与链路的集合。其中，链路（Link）是指两点之间具有规定特性的传输手段。这种传输手段是由传输系统与复接设备串接而成的；节点（Node）是指链路的互连点。这种互连点通常是交换机、交叉连接设备或者就是复接器本身。一个电信网络通常总是以特定的连接形式来提供电信业务。这种连接（Connection）是指承担特定电信业务的节点与链路之串接。通常就是交换机、复接器及传输系统的串接。即电信网是由传输、交换、终端设备和信令过程、协议以及相应的运行支撑系统组成的综合系统，从概念上可分为物理网、业务网和支撑管理网。

（1）物理网：由用户终端、交换系统、传输系统等电信设备组成的实体结构，是电信网的物质基础，其中：

1）用户终端：电信网最外围的设备，它将用户所发送的各种形式的信息转变为电磁信号送入电信网路传送，或将从电信网路中接收到的电磁信号、符号等转变为用户可识别的信息。

2）交换系统：处于电信网路枢纽位置，是各种信息的集散中心，是实现信息交换的关键环节。包括各种电话交换机、电报交换机、数据交换机、移动电话交换机、分组交换机、宽带异步转移模式（ATM）交换机等。

（2）业务网：指疏通电话、电报、传真、数据、图像等各类电信业务的网络。目前，电信局提供的业务网有电话网、数据通信网、综合业务数字网（ISDN）、智能网、移动通信网以及因特网（Internet）。

（3）支撑管理网：是为保证业务网正常运行，增强网路功能，提高全网服务质量而形成的网络。在支撑管理网中传递的是相应的控制、监测及信令等信号。支撑管理网包括信令网、同步网、管理网。具体如下：

1）信令网（七号信令网）：七号信令方式是一种国际性的、标准化的通用公共信道信号系统，七号信令网是接收、处理和传送信令信号的专用网络，通过对信令信号的识别和传递，产生控制信号以支撑业务网的运行。

2）同步网：是产生传输基准定时信号的网络，它提供基准定时信号以支撑业务网和传送网的运行。

3）管理网：是接收、处理和传送管理信息的专用网络。其功能是对电信网进行维护和管理。

随着电信网综合化、智能化的发展以及电信新业务不断增多，对电信网的构成在概念上提出了一些新的划分方法，如将电信网分为承载层、支撑层、业务层等。未来电信网发展的主要趋势将包括以下方面。

（1）从以话音业务为主向以数据业务为主发展。其中：①电话业务呈稳定的低速增长，年均增长率为5%～10%。②数据业务呈指数式态势增长，年均增长率为25%～40%，IP业务呈爆炸式增长，其业务量6～9个月翻一番。③未来10年内，包括中国的电信网在内的世界主要网络，其数据业务量都将超过电话业务量，电信网的业务将主要由数据构成。

（2）网络向宽带化发展。

1）业务发展要求网络提供更大的带宽：①业务量急剧增长；②宽带业务的需求越来越迫切；③各种业务占用的时长不断增长。

2）技术的发展，网络可提供越来越宽的带宽：①核心网通道带宽从百Mbit/s扩展到百Gbit/s。②节点交换机（或路由器）吞吐量达80Gbit/s。③宽带接入的需求日益迫切。

（3）交换技术向分组化演变。电路交换技术已持续了百年，技术成熟，管理严密，质量可靠，但不适应突发性数据业务，效率较低。新一代以数据业务为主的网络必然采用分组交换技术，IP交换将成为通信新网络的主体，未来10～15年内电路交换和分组交换将同时并存，需解决两网的互通以及各自业务和应用之间的互操作性，从而最终完成由以电路交换为基础的电信网向分组化的IP为基础的数据网平滑过渡。

电信网与其他任何事物一样，都是在一定的社会环境下生存与发展的。社会环境涉及多个方面及多种因素。社会经济基础方面：发达的社会经济、发展中的社会经济与落后的社会经济，给电信网提供的是完全不同的生存与发展基础；国家政策方面：开放改革的国家政策与封闭保守的国家政策以及给电信网完全不同的生存与发展空间。这两个方面是电信网生存与发展的决定性基础。在此基础上，有以下三个方面将对电信网产生重要影响：

1）经营方面：资金投入、经济效益及国家控制方式，例如：是否引入竞争机制；是否允许外资直接经营等。

2）业务方面：业务需求、服务质量及国家政策，例如：国家对电信网的税收政策、电信网对用户的收费规定等。

3）技术方面：社会科技对电信网的支持能力及电信网对电信产业的支持能力等。

2.计算机网（Internet）

计算机网络在初期是计算机与通信相结合的产物，它的出现和发展使计算机应用发生了巨大的变化。计算机的处理模式从最初的以大型主机为核心的集中式运算和以个人电脑为基本单元的独立处理后，已发展成现在的网络计算，其应用范围已远远超出了科学计算，成为综合信息、通信和娱乐的工具。计算机网络的发展既受到计算机科学技术和通信科学技术的支撑，又受到运用计算机网络的那些专业领域技术的支持。

计算机网络的软件技术基础主要有两种一是通信协议，另一个是开放体系结构。前者通过各层“协议”来管理同层实体的会话和信息传输后者指在遵循统一的国际标准，允许各种异构网络的互联与内部实体无关。

20世纪70年代末至20世纪90年代末的计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络、局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，多媒体网络，智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。从计算机网络应用来看，网络应用系统将向更深和更宽的方向发展。

1993年美国政府公布了“国家信息基础设施”行动计划（NII-National Information Infrastructure），即信息高速公路计划。这里的“信息高速公路”是指数字化大容量光纤通信网络，用以把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网。美国政府又分别于1996年和1997年开始研究发展更加快速可靠的互联网2（Internet 2）和下一代互联网（Next Generation Internet）。

1995年，美国科学基金会（NSF）资助下一代因特网（NGI）研究计划，建立了NGI主干网（VBNS）。

1996年10月，美国政府出面倡议，由多个机构共同研究、开发、部署下一代试验网等。

1998年，美国大学先进网络联盟（UCAID）成立，设立Internet 2研究计划，建立主干网Abilene。同年，亚太地区先进网络组织（APAN）成立，建立APAN主干网。

2001年，欧共体资助下一代因特网研究计划，建立主干网GEANT。这样，全球范围内就初步建成了大规模下一代网络的试验网，攻克并着手解决一些网络关键技术，并促进了标准化的发展。

2002年以来，国际NGI的发展非常迅速，美国的NGI主干网Abilene和欧洲的NGI主干网GEANT不断升级，并且推出了向下一代的互联网协议IPv6发展的政策，大力开展技术试验和应用试验。Internet 2和GEANT在2002年完成了5Gbit/s的高速互联。美国的Internet 2还与欧洲的GEANT以及亚太地区的APAN发起“全球高速因特网GTRN”计划，推动全球NGI的研究与开发。

亚太地区下一代互联网APAN的合作研究工作也取得很大进展。日本和韩国下一代互联试验网已在2002年底开通了一条直通光纤互联，速率达到1Gbit/s。我国台湾地区的下一代互联网TANET已在2002年先后用四条155Mbit/s高速线路分别连接到美国、日本、韩国和我国的香港特别行政区，并宣布台湾2008年全面实现IPv6。香港特别行政区的下一代互联试验网HARNET也于2001年底开通了与美国Internet 2的45M线路。

在我国，首先建立公用分组交换网CHINAPAC，1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行，由3个分组结点交换机、8个集中器和一个双机组成的网络管理中心组成；在此基础上，新的公用分组交换网1993年9月建成，并改称CHINAPAC，由国家主干网和各省（自治区、直辖市）的省内网组成。我国在1996年底建成四个基于Internet技术并可以和Internet互联的全国性公用计算机网络，即：中国公用计算机互联网CHINANET、中国金桥信息网CHINAGBN、中国教育和科研计算机网CERNET和中国科学技术网CSTNET。

为了跟踪和研究下一代计算机网络核心技术，CERNET从1998年开始进行下一代互联网研究与试验，建成了IPv6试验床CERNET-IPv6。2000年建成中国第一个下一代互联网交换中心DRAGON-TAP，实现了与国际下一代互联网的互联。2001年，建成了作为NGI试验床中国高速互联研究试验网，在国内连接了清华、北大、北邮、北航、中科院计算机网络信息中心，国家自然科学基金委员会等单位的节点，在国际上，也与国际NGI交换中心和亚太地区高速交换中心完成了互联。2002年，CERNET提出建设全国性下一代互联网CERNET2计划，CERNET2试验网作为示范工程，将有300个节点接入，连接20多个城市（2.5-10G）和180多所“211”工程重点学科的高校、与北美、欧洲、亚太地区国际下一代互联网实现45m～155Mbit/s高速互联。

2003年3月，完成了“中国下一代互联网示范工程”（CNGI：China Next Generation Internet）实施方案建议书。

2003年8月，国务院正式批复由国家发展与改革委员会、中国工程院、信息产业部、教育部等8部委牵头启动“中国下一代互联网示范工程”（CNGI：China Next Generation Internet）。根据CNGI项目的整体规划，到2005年，在政府指导下，中国电信、中国联通、中国移动、中国卫星通信、中国网通5大电信运营商和中国教育与科研网CERNET（China Academy of Science Network）将构筑6个全国性的IPv6骨干网络和建立两个交换中心（IX）以实现各IPv6骨干网络的互连互通；基于这一全国性的大规模IPv6网络平台，各大运营商将配合各大部委的IPv6攻关课题，并根据各自的网络条件及业务发展需求进行IPv6关键技术试验、开发、重大应用示范以及推广。

CNGI主干网的开通，对中国实施下一代互联网发展战略，对建设中国科技创新基础平台、促进科技进步与经济发展的结合、提高中国的综合国力，具有重要意义。

1.有线电视宽带综合服务网（CATV-HFC）

有线电视系统（CATV：Cable Television System）是采用高频电缆、光缆、微波等传输介质作为传输媒质来传送电视节目的一种闭路电视系统，它以有线的方式在电视中心和用户终端之间传递声、像信息。最早的有线电视系统。为了克服CATV网络单向的缺陷，从单向广播网到双向交互网络发展为HFC提供双向通信业务。

我国有线电视技术发展很快，从同轴电缆传输到光缆、MMDS、HFC等多种传输技术的混合应用，从只传输模拟信号到模拟、数字信号的混合传输，从单向广播网到双向交互网络。有线电视系统由3部分组成：前端系统、干线传输系统和用户分配网络。系统的前端部分主要任务是将要播放的信号转换为高频电视信号，并将多路电视信号混合后送往干线传输系统。干线传输系统将电视信号不失真地输送到用户分配网络的输入接口。用户分配网络负责将电视信号分配到各个电视机终端。

有线电视系统频带宽度一般分为300MHz、450MHz、550MHz、750MHz等几档。要提高系统的频带宽度，必须更换设备和电缆。各种频带宽度的有线电视系统的容量见表1.1。

表1.1　有线电视系统的容量

光纤有线电视网不仅仅局限于有线电视业务，它可以为开展宽带综合业务传输提供一个开放的平台，是宽带综合业务网的一个重要组成部分。用光缆构成广域的包括电视业务在内的多媒体网络具有广阔的发展前景。

我国有线电视网的干线网大概由3个部分组成：国家干线网已经超过3万km，省一级干线网有11万km左右，另外市县以下的光缆传输网络已经超过了30万km，中国有线电视光缆干线网的传输体制是采取的环形的传输体制，建立在DWDM、SDH和IP的基础上。

我国有线电视网由两个传输平台组成，一个是广播业务平台，称为A平台，主要是传播广播电视节目和广播类节目的传输；另一个是数据平台，称为B平台，这个平台主要传输数据，计算机联网，Internet的传输服务。有线电视宽带综合服务网的特点，目前世界上的有线电视宽带综合服务网，其特征为多样性和兼容性，具体表现为：

（1）模拟信号和数字信号并存。目前，电视信号仍以模拟电视信号为主，电视机则是PAL-D制模拟电视信号接收机，全国约有近3亿台电视机，不可能设想一夜之间实现全数字化。模拟信号存在的时间即模拟信号到数字信号的过渡时间是一个比较长的时期。

数字电视信号已经起步，首先是在卫星转播电视信号上采用了数字压缩编码信号的传输，可以相信，在不久的将来，将在有线电视网络上传输数字电视信号，并且将逐步取代模拟电视信号。对于交互式通信，如电话、数据则已实现了信号的数字化。

（2）频分复用与时分复用并存。对于多路模拟信号采用频分复用方式。对于多路数字信号则常采用时分复用方式，由于模拟信号和数字信号并存，在宽带综合网中将充分利用频分复用和时分复用各自的优势，力求以有限的频带来传输更多的节目和信息，力求以最低的经济代价来换取更多的服务。

（3）光缆与电缆并存。目前我国许多大中城市甚至村镇都建设了光缆干线，建立了光纤一同轴混合网，即HFC网（Hybrid Fiber Coax），按照光纤与电缆的比例分为：

1）一般为光纤干线与分支线，即FTF方式。每个光节点覆盖2000～5000个用户，光纤之后使用的延长放大器在3～5个之间。

2）光纤到路边，即FTTC方式。覆盖的片区用户在500个以下，使用1～2个延长放大器。我国许多城市新建光缆网络即以FTTC为目标设计。

3）光纤到楼，即FTTB方式正在试验，用户为50户左右，一般只用一个放大器。

4）光纤到家，即FTTH，是我们的最终目标。

（4）信号分配与信号交换并存。有线电视网与通信网不同之处为它是一个不对称双向传输网，下行信号占的份量大大超过上行信号。下行信号中主要是电视广播信号，其主要任务是进行信号的分配而不是信号的交换，不论是模拟电视信号还是今后的数字电视信号都是进行信号的分配，是一个单向系统。双向系统只适用于电话、数据和信令，占据的频带相对要小得多。

2.北美的CATV数字视频传输标准

美国电缆电视实验室（Cable Labs：Cable Television Laboratories Inc.）与美国主要的数字电视设备供应商及其成员就北美的数字有线电视系统规定的主要细节达成一致，这一规定建立了数字业务的基本结构，允许不同厂家生产的机顶盒和数据调制解调器可以在同一个电缆系统中工作。这一规定主要解决如何在标准的6MHz有线电视带宽内传输数字视频和数据。视频数字化和复用方面主要采用MPEG—2主级和主类（MP@ML）的参数，但音频格式将采用Dolby A C—3系统，服务信息表的规定则采用ATSC标准，服务信息表（Service Information Table）的一致性是有无互操作性的关键。下行数据调制将采用ITV—TJ 83标准，即64QAM和256QAM调制和级联格形编码调制并且有可变的交织深度以适应数据和话音方面对较小延迟时间的要求。在使用64QAM时，一个6MHz通道能传送27Mbit/s的信息；使用256QAM时，可传送40Mbit/s。有线电视数字标准也考虑到与地面广播ATSC数字视频系统尽量一致，除了因传输介质不一样调制方式不用VSB外，尽量保持一致。所有因比特率的差别，不同的调制方法将先在前端进行处理，然后再送往用户。上述标准很可能也是我国在CATV宽带综合网中遵循的准则之一。

3.有线电视宽带综合接入网的基本框架

（1）宽带接入网的频谱分配。在HFC形式的CATV宽带接入网的可能频谱分配如图1.5所示。

（2）对于模拟广播电视信号，是单向传输信号，以信号分配为目的，可以继续采用频分复用形式，对于今后将实现的数字电视广播信号，可采用频分和时分复用相结合的形式。

图1.5　HFC频谱结构图

（3）对于交互式业务，如电话、计算机数据通信等，也可以采用频分和时分复用相结合的方式。与广播信号不同的是这类业务的主要功能是交换而不是分配，故需要上、下两个通道。

首先用频分法划定上、下通道的频率范围，例如，下行通道频率范围为800～1000MHz，上行通道的频率范围为5～65MHz。

下行通道中将不同速率的数字信号用时分复用方法组成一数字信号流，将这个数字信号进行载波调制，一般采用正交相移键控调制（QPSK）。例如，中心载波频率为850MHz，带宽限制为30MHz，这样的一个载波调制信号能承载550个64Mbit/s的话音、数据或信令。

当信息容量较大时，可以增加载波和扩展频带上行信道，目前有两种带宽：5～65MHz和5～45MHz，相信不久将会统一。可以在5～8MHz内传状态监视信息；8～12MHz传VOD（视频点播）或IPPV（即时付费电视）等信令；15～45MHz传电话或数据。上行信道的调制方式有QPSK，目前已开始应用抗干扰更强的正交频分多路（OFDM）方式。

交互式业务可以与外部多媒体通信网络相联结，可以和作为信息高速公路骨干光纤网、ATM/SDH网络相联结，多媒体通信网和异步转移模式（ATM）/同步数字系列（SDH）实质上是相同的，多媒体是从信息性质和事例上来描述，而ATM/SDH则是从数码传递方式上来描述。在后面的章节中可能将更多地涉及具体的数码传送方式，而较少提及多媒体。

4.CATV宽带综合网模式及发展

（1）最终CATV宽带综合网将有可能发展成为全数字化、全时分复用方式、全光纤网络化，全国的骨干网为光纤SDH/ATM网络，每个城镇的有线电视网将作为其接入网，在这网络上将传输各种双向或单向信息、广播或交互式信息，并且与世界的通信网络相联结，即实现了信息高速公路的设想。

（2）在模拟信号与数字信号并存的时期，当全国CATV的光纤SDH网建成以后，全国的骨干网为光纤SDH/ATM网络上，上百套电视节目和众多的通信信息均在此骨干网络上传输。目前每个有线电视城市网，作为其接入网，为HFC网，每个城市的前端，骨干网上获得的数字电视信号，重新组合然后用QAM调制方式送至用户。各种交互式信息也将通过载波调制方式在上、下通道上运行。

（3）在目前状态下，电视信号以模拟信号为主，还未建成全国的CATV骨干网，各城市将自行建设前端，通过HFC网。将电视信号传输至用户，只是通信信息可以从全国邮电网上获取。邮电部门已建成若干SDH网，也就是说，只是从通信角度来说，城市CATV网是全国通信网的接入网，并且是窄带信息，主要传送电话信令和计算机数据等。

目前，计算机网络与通信技术应用发展的突出特点之一是要实现三网合一。所谓三网合一就是将计算机网、有线电视网和电信网有机融合起来，以降低成本，方便使用，提高效率，增加经济效益和社会效益。其目标是以一个统一的宽带多媒体平台，最大限度地承载现有和将来可能的业务；其实现途径是数字、语音、多媒体信号（即计算机网络、电信网络、电视广播网络）走同一网络；其主要目的是充分利用现有资源，避免重复投资。

三网合一是网络发展的必然趋势。Internet的出现造就了一个庞大的产业，同时推动着其他相关产业的蓬勃发展。一些新兴业务如电子商务、电子政务、电子科学、远程教学、远程医疗、视频点播、视频会议和在线咨询等，使人们能够突破时间和空间的限制，坐在家中就可以工作、学习和娱乐。而目前三网合一正逐渐成为世人瞩目的焦点，国内外大型IT企业如微软、索尼等公司已经把三网合一作为未来业务发展的重点。

尽管三网合一有较好的应用前景，但要真正实现三网合一，还必须面对技术方面的问题和现有体制条块分割、现有集团利益垄断的问题。因此，实际的三网合一组网工程应该围绕上述两方面问题的解决来展开。

1.3.2.2　三网合一的技术基础(www.chuimin.cn)

1.IP将作为未来三网合一的公共平台

用户数量的指数级增长和多种业务需求的高增长势态，使IP业务所需的网络带宽随之剧增，形成新时期网络带宽需求的主要驱动力。IP协议无形中已成为电信网的主导通信协议，网络逐渐向使IP业务最佳化的分组网方向演化和发展。未来的高速网络将以IP为主体，已是不争的事实。

以TCP/IP协议为基础的Internet在近些年有了较大的发展。1997年，Internet的IP流量首次超过了通信网的语音流量，而且近年来仍在直线上升。IP网络已经从过去单纯的数据载体逐步发展成支持语音、数据、视频等多种信息格式的多媒体信息通信平台。数据化、宽带化、综合化已成为目前和未来网络发展的潮流。

国际上，优化的IP业务宽带分组网结构方式向传统的电路交换方式提出了挑战，并已在一些新兴的电信运营公司得到推广。在实际运行中，新的分组网结构已显示出简捷和高效等优势，因此在网络构架方面，一些传统的电信运营公司也开始考虑向宽带分组网过渡。思科、华为、朗讯、北电、阿尔卡特、西门子、3COM等著名厂商描述了下一代通信网模型，其核心思想是利用软交换技术将传统电话网和IP网相结合，即实现Voice over IP。

QoS（Quality of Service）的概念是伴随着ATM（Asynchronous Transfer Mode）诞生的。当Internet向语音、数据和视频等实时业务渗透时，对IP也提出了QoS问题。目前，IP QoS的解决方案为IP与ATM结合，利用ATM的QoS机制，其支持的业务有以下几种。

（1）集成业务：利用资源预留协议进行管理，需要维护每个流的状态，并需要多个路由器的配合。

（2）差分业务：将数据包进行分类，根据分类结果，确定整形、路由和调度策略，不需要维护每个流的状态。差分业务是当前研究的热点。

（3）多协议标记交换（Multi-Protocol Label Switching，简称MPLS）：多协议标记交换用标记分配协议（Label Distributed Protocol，简称LDP）替代复杂的ATM信令协议，实现面向连接的功能。MPLS明确规定了一整套协议和操作过程，最终在IP网内通过ATM和帧中继技术实现快速交换。其中，关键概念是用标签来识别和标记IP报文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报文。MPLS最重要的优势以及设计初衷在于：它能够为ISP（Internet服务提供商）提供现有的IP路由技术所不能支持的要求保证QoS的业务。通过MPLS技术，ISP可以提供各种新兴的增值业务，有效实施流量工程和计费管理措施，扩展和完善更高等级的基础服务。

2.网络带宽飞速增长

光纤通信作为通信网的基础，正飞速向宽带化方向发展，所依赖的技术是密集波分复用。所谓密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，简称DWDM）技术，指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照二进制位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据，是一种扩展带宽的新方式。在宽带产品中，传输系统的宽带化是网络宽带化的核心和关键。为了实现用户接入网的数字化、宽带化，提高用户上网速度，光纤到户（FTTH）是今后发展的必然方向，但由于光纤的成本过高，在今后若干年内大多数用户仍将继续使用现有的铜线环路。为此，近年来人们提出了多种过渡性的宽带接入网技术，其中非对称数字用户环路（ADSL）和电缆调制解调器最具竞争力，将在未来若干年内占主导地位。

3.企业数据网与公共电话网的融合

Internet语音通信技术的出现和发展是数据网与传统语音网融合的技术基础，同时代表了一种发展趋势，即数据、语音、图像三网合一，而这三位一体的网络一定是基于TCP/IP协议的网络。如果说在Internet和广域网上真正实现三网融合还受技术、政策和管理等因素限制的话，那么在企业内部网中真正实现数据和语音的两网融合是完全可能，而且很有必要的。目前，许多设备厂商已经将Internet语音通信的焦点指向企业用户，原因有以下几点：

（1）对于Voice over IP领域而言，保证服务质量是至关重要的。在Internet上传送语音目前还有许多问题有待解决，但是在企业网和IP-VPN（虚拟私有网）上，由于网络的可控性较高，所以语音与传统数据在这两种网上集成相对而言更具可行性。

（2）在企业推广数据和语音的两网融合，即企业级的IP语音技术存在诸多好处。其中最大的优点是可以控制数据流量，保证语音质量，充分利用企业租用的数据线路资源，节省传统的长途话费。

随着社会的发展，越来越多的企业（公司）呈现出多地域分布的特征，在企业的各分部之间、分部与总部之间经常存在大量的信息交互，所以许多企业组建了自己的企业网。但是传统的企业网主要是传输数据，而企业内部的电话通信通常采用专用小交换机（PBX）方式，分部与分部、分部与总部之间的电话、传真通信采用长途方式。在企业网上开发语音增值业务，对原有的数据网络的投资增加很少，又可节省长途话费，而且将语音与网上已有的其他应用相结合，可实现多媒体业务，提高综合服务质量。

1.3.2.3　固定网络与无线网络的融合

无线网络是以无线信道作为传输媒介的网络，它是目前整个数据通信技术领域中发展最快的方向之一。无线网解决方案在某些场合作为传统有线网络的补充或替代，以其灵活性、移动性及较低的投资成本等优势，获得了家庭网络用户、中小型办公用户、企业用户及电信运营商的青睐，得到了快速的普及。而新兴的无线通信技术的应用和随处可得的Internet接入，更推动了无线网络的发展，也改变了人们工作、居家、旅行时使用计算机及其他电子设备的方式。

根据频率、带宽、范围和应用方式，可以把目前流行的无线通信技术加以区分。如图1.6所示，这些技术可大致分成4类，按作用范围的大小依次为无线个域网、无线局域网、无线城域网、无线广域网。

图1.6　无线通信技术按范围分成4大类图

1.无线个域网（Wireless Personal Area Network，简称WPAN）

无线个域网是非常小的网络（ad hoc网络），范围通常不超过10m。由于通信范围有限，无线个域网通常用于取代导线，连接相邻设备并传输数据。

蓝牙技术（Bluetooth）是目前流行的无线个人区域网络技术，运行于ISM频带2.4GHz。如图1.7所示，显示蓝牙技术由1.1版（速率为1Mbit/s）到1.2版（增强了信号及频率波段共存的机制）的演变。此外，速率为3Mbit/s的蓝牙2.0+增强数据传输速率（Enhanced Data Rate，简称EDR）标准于2004年11月正式通过，相关产品目前已陆续上市。

图1.7　无线通信技术的发展图

一些无线个域网应用需要更高的数据传输率，可能会选择目前新兴的超宽频（Upper Wide Band，简称UWB）技术。因为UWB技术不但频宽高、传输耗电量低，而且可采用的频率范围相当宽。目前IEEE正在制定UWB物理层（PHY）规范IEEE 802.15.3a。另外，还有一个由多频带联盟（MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing Alliance，简称MBOA）着手开发的可与之竞争的规范。初期的、数据传输率介于100～480Mbit/s范围内的UWB产品，预计2006年初可开始上市，后续的版本预计数据传输率可高达1Gbit/s。但如果不能解决规范标准彼此竞争的问题，就可能会阻碍UWB技术的市场商机。此外，虽然美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，简称FCC）已经为UWB开放大范围频谱以供在美国境内使用，但在美国以外的地区，仍然有一些法规及政策上的限制。

还有一套无线技术也属于无线个域网的范畴——ZigBee（802.15.4），这类技术最适合于某些特定的低带宽应用，可用于组建传感器网络，例如，测试仪器与家庭环境自动化。

2.无线局域网（Wireless Local Area Network，简称WLAN）

相对于无线个域网，无线局域网能提供更为强大的网络连接能力和更大的覆盖范围（大约100m）。无线局域网以IEEE 802.11标准（又称Wi-Fi网络）为基础。802.11b是第一个成功实现商业化的无线局域网技术，运行于2.4GHz频带上，并能提供11Mbit/s的传输速率。在改变数据传输方式后，2003年802.11g（2.4GHz频带）及802.11a（5GHz频带）将数据传输速率提高到54Mbit/s。目前，常见的“双频”Wi-Fi无线网卡可以同时支持802.11a、802.11b、802.11g中的任何两种。另外，高度集成的单芯片解决方案使体积更小、用电量更低的各种新型设计与应用成为可能。

除此之外，新标准也特别考虑到Wi-Fi网络的安全性，其中Wi-Fi访问保护规范（WPA）及802.11i规范（WPA2）加强了用户的身份验证与信息加密。WPA及WPA2中采用的IEEE 802.1x标准，提供了端口级的验证架构。WPA2还采用了新一代高级加密安全（AES）技术。另外，即将问世的802.11e标准特别强调服务质量QoS，以便使语音、多媒体等实时数据能在网络上优先传送。Wi-Fi联盟是专门负责Wi-Fi认证及兼容性测试的机构，目前该联盟已开发出Wi-Fi多媒体（WMM）测试规范，可对新产品的802.11e兼容性进行认证。

下一代的无线局域网标准为IEEE 802.11n，其规范目前还在制定中。802.1 1n将与802.11a、802.11b、802.11g兼容，并提供超过100Mbit/s的数据传输率。802.11n的性能提高，主要得益于新型多输入/多输出（Multiple-Input，Multiple-Output，简称MIMO）无线电技术、更宽的射频（RF）信道以及通信协议栈（protocol stack）的改进。MIMO技术通过增加无线装置中无线电以及天线的数目来提高数据传输速率。IEEE预计于2006年中制定并批准802.11n规范。

3.无线城域网（Wireless Metro Area Network，简称WMAN）

无线城域网是一种可覆盖城市或郊区等较大地理区域的无线通信网络。以往具备T1或T3数据传输速率的远距离无线通信技术都是由大型电话公司、独立区域电信公司（Independent Local Exchange Carriers，简称ILEC）以及其他供应商所专有和经营，用来连接距离较远的地区或大范围园区。目前，IEEE已将一套新的无线城域网技术标准化，这套新技术运行于需要执照以及免执照的多个频带。其中，最著名的是IEEE 802.16d，又称WiMax，运行于2～11GHz的频率范围（美国使用2.5GHz、3.5GHz、5.8GHz 3个频带）。在无障碍物阻隔的理想状况下，50km距离的最高数据传输速率高达70Mbit/s。最初建立的WMAN需要在用户所在的建筑物外架设天线。移动版规范（IEEE 802.16e）预计于2007年发布。目前，还不确定电信运营商、网络服务供应商何时或是否愿意建构WiMax，以及何时才会大规模架设定点式或移动式WiMax所需的基础设施。但是，业界人士大多预测，WiMax的建设会综合考虑运用现有以及新增的“塔式”基础设施与安装设备。

4.无线广域网（Wireless Wide Area Network，简称WWAN）

无线广域网是移动电话及数据服务所使用的数字移动通信网络，由电信运营商经营。无线广域网可覆盖相当广的地理区域，但到目前为止数据传输速率普遍偏低，只有115kbit/s，与其他局域性的无线技术相差甚远。目前，全球的无线广域网主要采用GSM及CDMA技术，预计未来这两套技术仍将并驾齐驱。

目前GPRS技术、新一代EDGE技术（Enhanced Data GSM Evolution）以及很早就在欧洲完成标准化的GSM技术在内的无线数据技术，占据了全球约2/3的市场，分布范围包括北美、欧洲及亚洲。新一代的EDGE技术可将GPRS的数据传输速率提高3～4倍。而其他GSM运营商则力主WCDMA（Wideband CDMA）的商业化，WCDMA的预计数据传输速率可达2Mbit/s。另外，还有HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）扩展技术，预期将于2006年开始架设，其数据传输率可高达3.6Mbit/s以上。CDMA技术在美国占主导地位，CDMA2000无线广域网技术在北美、日本、韩国及中国的建设已有相当规模。CDMA2000 1xRTT技术（Single-Carrier Radio Transmission Technology）已得到相当广泛的采用。而下一代的1xEV-DO技术（1xEVolution-Data Optimized）也正处在美国的Verizon Wireless公司及Sprint PCS公司的快速部署之中，将支持2.4Mbit/s的数据传输速率。

1.3.2.4　移动信息网与移动互联网以及无线互联网的融合

自20世纪70年代末第一代模拟蜂窝移动通信系统问世以来，蜂窝移动通信在技术和市场两个方面都取得了较大的发展。以800MHz的AMPS和D—AMPS标准以及900MHz的TACS和GSM标准为代表的两大体系分别在北美和欧洲取得了巨大的成功。进入20世纪90年代，移动通信发展迅猛，现有的GSM和CDMA业务持续发展，备受关注的第三代（3G）移动通信系统，因此开始在大规模进入市场前做各方面的准备工作。预计2000年底全球移动用户数将超过5亿户，其中中国用户为7000万户。与此同时，传呼机、掌上电脑和个人数字助理（PDA）等便携设备的数量也相当可观。

另一方面，Internet的触角已渐渐深入到人们日常生活的方方面面。刚开始设计Internet时，假定所有的计算机和通信设备都是固定不动的。然而，移动正在变得无处不在。随着个人流动性的增强，移动中便携设备连接到Internet的需求正变得日益迫切。如何让人们能够随时、随地访问Internet，是当前Internet技术研究的一个热点，也是下一代真正的个人通信技术的目标。在技术和市场两种驱动力的作用下，业界涌现出多种移动互联网技术，目前，可以采用的主要有HSCSD、GPRS、Bluetooth以及WAP等。尽管它们解决问题的层面和侧重点有所不同，但着眼点都是相同的，即便携设备如何接入Internet并获取和显示有效信息。

移动信息网是建立在通信专网基础上的，目前以移动梦网为主要代表。移动互联网是信息平台建立在互联网上，借助移动通信网作为接入通道，目前，移动互联网以独立WAP站点为代表。而无线互联网则是宽带无线接入直接接入宽带公共互联网，不再经过移动专网，现在全世界各地广泛开展的“无线城市”则是无线互联网的代表。

移动信息网起源于CT通信技术，在电信网上架构信息平台；移动互联网是CT+IT领域，是移动电信网和互联网的结合，主要特征是在互联网上架构信息平台，通过移动电信网实现终端接入；无线互联网是起源于IT技术，在互联网上架构信息平台，不刻意通过电信网实现终端接入。

移动用户的固有特征决定了在移动中访问Internet的设备必须具备无线通信的能力。目前，便携设备或者不具备远程无线通信的能力，或者现有的数据传输速率达不到要求，业界为此提出了针对网络接口层的Bluetooth和GPRS等技术，用于解决便携设备接入Internet的问题；另一方面，这些设备在内存、处理能力等方面具有极大的局限性，急需解决信息获显示和处理等方面的问题，WAP是业界的事实标准，日本NTT DoCoMo推出的I-mode则是一个成功的典范。将各种移动互联网技术的划分如下：

处于不同层面的技术可以组合运用，如Bluetooth与GPRS和WAP结合使用可以允许掌上电脑和PDA等便携设备利用移动电话的远程通信能力接入Internet。

1.HSCSD

HSCSD（High Speed Circuit Switch Data）利用移动电话网，如TACS、AMPS和GSM等提供的电路交换服务来传送数据。用户通过呼叫建立电路，电路建立后一直由用户占有，直到用户使用完毕后释放电路。它利用语音信息传输数据，与固定电话网上的数据传输相似。以前GSM网利用调制解调器可提供速率为9.6kbit/s的数据传输服务，欧洲电信标准委员会ETSI现已推出新的HSCSD标准，该标准在对原来线路纠错方法进行改进后，可使单个时隙的数据传输速率提高50%，从而达到14.4kbit/s。此外，通过适当的时隙捆绑技术，单个用户可以同时占用多个时隙，使一个数据信道传输速率大大提高，最高可达57.6 kbit/s。

与HSCSD类似，CDPD（Cellular Digital Packet Data）是利用北美模拟蜂窝电话系统的空闲信道来传送IP包的一种标准，最大数据传输速率为11kbit/s。在CDPD系统里，许多用户可以同时共享一个无线信道。

2.GPRS

GSM是目前使用最广泛的移动通信系统，网络遍布130多个国家，具有180多个运营商。ETSI定义了一种高速率的、基于分组交换的数据传输系统GPRS，它的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步。GPRS（通用分组无线服务）又称为GSM Phase 2+，其数据传输速率可达115kbit/s。除能够为用户提供端到端的分组交换之外，GPRS还能够在有限范围内为用户提供无线局域网的通信能力，并具有网管简单和保障现有资源等方面的优点。GPRS备受关注的另一方面原因在于它对IP和X.25协议的完全透明支持。通过GPRS，移动台可以在GSM网络上实现对IP和X.25网络的访问和应用。其GPRS系统结构如图1.8所示。

图1.8　GPRS的系统结构图

GPRS的主要优势包括充分利用现有的GSM网络，并提高了接入速率，使运营商可以方便的推出此项业务；用户总是在线，不用拨号；资费比较合理，用户只需按数据流量付费；具备前后向兼容能力等。但GPRS的数据传输速率仍然具有一定的局限性。

在GPRS实施之后，还可以考虑采用替代技术EDGE（Enhanced Data for GSM Evolution），目前EDGE的标准正在制定过程中，它将采用新的调制技术，高效利用200kHz的载波，使数据传输速率最高达到384kbit/s（8个时隙捆绑在一起），接近3G的水平。如果运营商拥有3G的频谱，则可从GPRS直接过渡到3G移动通信系统。

3.IMT—2000

3G移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）在1985年提出概念，当时称为“未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）”，到1996年时考虑到其商用的时间（2000年左右）和工作的频段（2000MHz）更名为IMT—2000，其含义是“国际移动通信系统2000”。同时，其单个信道可以最多可提供正好2000K的数据传输速率。目前，IMT—2000第一阶段的标准制定工作已经完成，到2000年底将完成更加详细的技术规范。

3G移动通信系统的重要特征不仅在于采用了码分多址（CDMA）等技术，而且具备高速移动数据的传输能力，即能够提供音频、视频、接入互联网等移动多媒体业务。IMT—2000的技术规范包括无线传输技术和网络接口技术两部分，针对前者，ITU、电信产业界及电信运营商联合制定了包括W-CDMA、CDMA2000、TD-CDMA 3种方式的技术规范，其中TD-CDMA技术规范是我国提出的TD-SCDMA技术标准，这3种方式正在扩频速率等方面走向融合。

4.Bluetooth

Bluetooth主要面向网络中的各类数据及语音设备（如PC、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等），通过无线方式将它们连成一个微微网，多个微微网之间也可以互联形成分布式网络，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。也就是说，利用Bluetooth技术，无需连线就能把传呼机、掌上电脑、PDA和移动电话等各种各样的电子设备连接。

在移动互联网的技术中，Bluetooth的目标是实现以移动电话为中心，把个人携带的设备连接成PAN（个人局域网）从而实现无线访问Internet。一个PAN最多可由8台这样的设备组成：其中一台为通信的主叫方，其余则为通信的受取方；受取方可同时与其他PAN进行通信，从而实现PAN之间的互联。Bluetooth采用了不必经过申请便可利用的2.4GHz ISM（工业、科学、医学用）频带，最大传输距离为10m，可支持多种应用。Bluetooth的协议栈如图1.9所示。除了数据链路层和物理层协议之外，系统将根据不同的用户模式，只使用其中的一列或多列协议，而进行互操作的设备必须需要使用相同的协议栈。该协议栈可以实现如下功能：设备配置及诊断、Bluetooth设备的发现、电缆仿真、与外围设备的通信、音频通信及呼叫控制，以及交换名片和电话号码等。

图1.9　Bluetooth协议栈图

5.应用层技术

移动互联网需要解决的另外一个问题是如何实现便携设备获取和显示Internet信息。由于信道容量的限制及移动通信制式、终端数据格式、显示模式的多样性，使得在移动互联网应用中不能再沿用固定互联网中的一些标准，尤其是应用层的一些标准。

WAP作为一种无线应用程序的编程模型和语言，首次定义了一个开放的标准结构和一套用来实现无线终端接入Internet的协议，它包括以下内容：

（1）WAP的编程模型。WAP尽可能多的兼容现有的标准，以最大限度地保护现有投资。这个模型如图1.10所示，在很大程度上利用了现有的WWW编程模型，应用开发人员可以继续使用自己熟悉的现有开发工具（如Web服务器、XML工具）。

图1.10　WAP的编程模型图

（2）WAP网关。WAP规范使用标准的Web代理技术将无线网络与Web连接起来。通过增强网络功能大大的减少了便携终端上的操作负载，为便携设备实现访问Internet的功能提供了基础。此外，网络还可以利用WAP网关来为用户提供各种服务。

（3）遵守XML标准的无线标记语言（WML）和用于便携终端的微浏览器规范。WML和WML Script将文件分割成一套容易定义的用户交互操作单元，以利于小屏幕显示；微浏览器的规范定义了便携终端如何解释WML和WMLScript，并且如何把信息正确地显示给用户。用户可以方便的进行交互操作。

（4）轻量级协议栈。这个协议栈将无线终端接入Internet的带宽需求降到最低，可以为无线网络节省大约50%的带宽。保证了各种无线网络都可以使用WAP规范。该协议栈如图1.11所示。

（5）无线电话应用（WTA）框架。WTA允许无线移动电话接入各种电话功能如呼叫控制、电话本访问和文电信息显示。这样，服务提供商就能够开发各种电话应用并将其集成到WAP服务中。WAP解决了无线网络中的低带宽、高延迟特性等问题，通过对会话层、处理层、传输层的改进提供了更适合于无线网络环境的HTTP功能；针对手持设备内存、电源的特殊情况进行了优化；并通过WTLS（无线传输层安全）协议提供了一个客户端和服务器之间安全的无线连接，使得便携设备通过无线网络安全的访问Internet成为可能。但WAP的应用还非常简单，需要不断的改进，而且如何将WML和HTML真正的融合起来以便与WWW服务一体化还需要解决很多问题。

图1.11　WAP的体系结构图