从本世纪初开始，我们已经看到了三种新一代电信网络的出现。本文主要分析了推动智能全光网、3G无线网络和基于QoS的分组网络发展的市场条件、技术革新和新业务方面的需求。

　　在网络发展的历史过程中，三个不同因素持续不断地驱动着电信网络体系结构的发展：业务流量的增长、新业务的部署以及技术的进步。这些因素并不是相互独立的，但它们各自以不同的方式影响着发展的进程。

　　从二十世纪八十年代初开始，电信业务量就一直在稳步地高速增长。尽管二十世纪九十年代末人们所预测的高端业务流量并没有实现，并且骨干网容量的过度扩张导致了全行业的低迷，但是我们不能忽视这样一个事实，即业务流量正在向办公自动化、远程接入和在线交易这些方向发展，并且发展的速率将会和二十世纪九十年代一样快。最新的互联网业务流量统计表明，近十年来，业务流量持续以每年60％到80％的速率增长。相应地，宽带和无线用户数的增长率也分别达到了60％和25％。

　　这些驱动因素使电信网络中出现一系列新的需求。这些新的需求反过来又导致了网络体系结构（光、无线和数据）基本上每十年更新换代一次。例如，二十世纪八十年代，在全球范围内SONET/SDH网络的部署使得光技术变成了现实，模拟无线网络开始了商用化试验，而基于X.25标准和IBM协议的数据网络也开始广泛应用。到了二十世纪九十年代，密集波分复用（DWDM）光产品、2G无线和商用化的互联网开始广泛应用。

　　需要注意的是，三种网络的演进过程是相互关联的。举例来说，光网络在承载光业务的同时还被用于承载数据和无线业务。类似地，无线网络在承载无线业务（如定位业务）的同时还能承载语音呼叫和数据业务。

　　智能全光网

　　在过去的二十年间，光网络只是被当做承载巨大业务流量的传输管道。随着光技术的进步，这种观点也开始发生了变化，现在的光网络能够提供网络灵活性、新业务，并能提高运营效率。这就是智能光网络的概念。随着光技术的进步，光网络在提高传送数据和无线业务量的同时，还开始提供一些新的光业务。这些新的光业务主要包括：

　　智能化的超高带宽

　　直到不久之前，企业用户和服务提供商能向光网络运营商定购的业务还只是速率为155Mb/s、622Mb/s和2.5Gb/s的专线业务。这些业务的配置时间很长，业务的速率、保护方式和路由也都是固定的。有了新一代的光业务之后，用户可以定购速率为2.5Gb、10Gb或40Gb的专线，业务的配置可以通过用户设备，如路由器或集中式网络运营中心的信令在几秒钟内完成。此外，除了传统的1+1备份方式之外，现在还能提供像1:1、1:N和共享的网状网这样成本较低的备份方式。

　　动态干线

　　这种业务允许用户设备，如路由器和ATM交换机根据带宽、时延和目的地在设备之间按需建立和拆除光通道。例如，存储区域网（SAN）就很需要这种业务，在SAN中，存储系统和服务器之间可能每次需要建立只持续几个小时甚至几分钟的高带宽连接（通常为1Gb/s）。

　　千兆以太网

　　现在以太网已经扩展到了广域网（WAN）的范围。除了10/100Mb/s以太网之外，企业用户很快就将能预定1Gb/s的以太网业务（点到点或点到多点）。以太网数据将能直接通过2.5Gb/s波长承载或者与其它的1Gb/s以太网专线进行复用。这时，保护将在光域内完成。在不远的将来，10Gb/s以太网也将会投入应用。

　　在技术方面，有几个技术突破促成了新业务的出现。例如，微电子机械系统（MEMS）已经成为智能全光交换机不可分割的一部分，它能直接在波长上交换业务量而不需要进行光电转换。这种智能化系统允许动态地创建波长业务。光孤子和拉曼放大使得DWDM系统能将光信号传送至非常远的距离而中间不需要经过再生。由于减少了再生节点的数量，成本大大降低。

　　光分插复用系统（OADM）能在光域内从承载100多个波长的光纤中抽出若干波长。这样，当在节点上需要分插业务流量时就不再需要使用光转发器。由于光转发器占据了网络成本的一大部分（可能会达到50%），因此，OADM的使用可以大大降低网络成本。此外，可调激光器也能够降低光系统的成本。例如，与以往需要使用100种光转发器来终结100个波长相比，现在只需要使用一种光转发器并可远程配置频率。

　　所有这些技术突破与光纤技术的进步促成了光通信系统容量的大幅提升。

　　新业务和新技术的意义非常深远，只有采用全新的网络体系结构才能满足用户和服务提供商的需求。新的智能光网络体系结构如图1所示。

　　传送平面必须健壮、可扩充和经济有效地传输业务量。传送平面有几个关键元素：其一是光核心网状网，它由全光交换机构成，这些交换机支持像1+1、1:1、1:N等备份机制，共享网状网，无保护和预防性保护等光保护机制。传送平面还包括DWDM传输系统，它能同时处理长距、超长距的2.5Gb/s，10Gb/s和40Gb/s波长。这样做的主要原因是在一个典型的网络中通常有区域的设备具有不同的传输距离和速率。另一个必需的元素是远程可控的OADM，这样，当沿线节点分插波长时就不再需要使用OT终端设备，从而避免了频繁使用昂贵的光转发器来完成光－电－光（OEO）转换。

　　分布式的控制平面可以基于现有的和新的数据协议来智能地建立光通路。控制平面应支持传送平面的严格要求，为了实现这一目的，它需要具有与它所控制的传送平面相同的可靠性，并支持新的业务。此外，控制平面还需要适应不同类型的信令信息，例如，告警、建链、恢复，提供不同的性能。

　　管理平面能为新的基础设施的部署提供方便。新的光业务需要由新的管理功能来收集新的动态业务的测量信息，维护用户配置，并管理动态配置策略。

　　向下一代光网络体系结构演进

　　从现有网络向新一代网络的演进过程将分几步来完成，演进的顺序可能会随现有的网络特点而变，但一般是如下进行：

　　* 在骨干网络中使用长距和超长距DWDM系统以减少再生节点的数量；

　　* 在需要分插整个波长的主要节点上安装OADM。还可以使用光复用转发器来将低速波长（如，2.5Gb/s）复用到更高速率的波长（如，10Gb/s或40Gb/s）上。光复用转发器还可用于波长的有效汇聚；

　　* 在骨干节点上部署大容量全光交换机，以降低系统成本。

　　随着业务流量和粒度的增加，智能光核心网的范围将会从骨干节点逐渐扩展到城域网中。智能的城域网体系结构将能直接从用户驻地通过光纤向用户提供波长业务。不妨设想一下，一个企业或驻地用户发出信号通知网络，他需要建立一条155Mb/s或622Mb/s的光通道。然后这个信号就将被传播到位于相同城域网区域或跨区域的远端。与智能骨干网之间的互通是建立这种端到端连接的必要条件。

　　3G无线网络

　　无线业务量一直以稳定的速度增长。根据预测，到2003年底全球用户数将达到13亿，到2007年，将增加到18亿。随着无线业务从语音向分组数据的转移，这种发展趋势将会持续下去，并且用户将会越来越习惯于使用无线进行商务和金融交易。这一发展过程与互联网的发展过程相类似：从有限的应用环境发展到成为人们日常生活的一个部分。

　　无线网络的未来不局限于语音和金融交易，而是包括语音、数据和多媒体的综合。移动互联网业务的目标是不仅能在固定无线连接时提供良好的性能，而且在移动环境中也必须同样表现良好。

　　在这种背景下，随着无线接口技术的进步、更小并且功能更强的移动终端以及用户业务、服务质量（QoS）和移动管理的一系列新协议的出现，新的无线业务正在逐渐走向成熟。这些业务主要包括：

　　高速无线数据业务

　　尽管无线互联网接入不是一个新鲜的事物，但是由于3G无线网络的部署使得接入速率大大提高。如图2所示，目前2.5G无线技术只能支持语音和基本的数据业务。尽管个别用户的突发速率可能会达到100～200kb/s，但是忙时的平均用户接入速率可能只能达到30～40kb/s。

　　随着3G技术的出现，用户的接入速率将能达到100～500kb/s，这样的带宽对于大多数互联网接入、图像传输以及数据VPN这样的应用来说已经足够了。一个例外是高质量的视频应用，它需要1～2Mb/s的带宽。除了提高带宽之外，3G系统还能更有效地利用频谱，从而可进一步降低价格。

　　基于定位的业务

　　这是一种新的业务，它使用了像GPS、初始扇区（COO）、强化的信号强度（ESS）以及位置识别等定位技术。它们支持的应用范围很广，包括应急服务路边帮助、导航跟踪业务、车队管理，交通动态和地址查询等信息服务以及基于定位的市场广告。

　　移动商务

　　移动商务允许移动用户通过带有某种浏览器的移动设备进行安全的货币交易。用户可选择使用特定付费方式（如预付费、后付费或直接银行转帐）来完成购买货物或服务的交易。像股票交易、在线购物、移动银行、预订服务和定票业务这样的传统电子商务同样适合于移动商务。除此之外，移动商务还能提供像自动售货机以及停车场付费等特定服务。

　　移动终端和移动互联网用户，大致可以划分为三种类型：

　　* 使用带有大屏幕的新型终端的传统用户：他们可以通过支持WAP的微型浏览器访问有限的数据库。主要的应用包括Web访问、email、静态图像传输和数据量较少的音频传输。

　　* 使用功能强大的手持终端（如经过改进的PDA、掌上电脑）的用户：这些设备装有小型的操作系统，并能完成许多笔记本电脑所具有的功能。极低的屏幕功耗是这些设备的一个关键特征。

　　* 使用笔记本电脑的用户：他们可以在移动中完成台式机所能实现的相同功能，如可以下载长文件，播放高保真度音乐节目，以及观看高质量的视频节目等。

　　与光网络类似，在过去几年里无线技术也取得了一些重大的进步。

　　无线接口

　　有限的关键性资源是无线技术研究的热门并不断地取得持续发展。许多研究工作都把提高CDMA2000和UMTS的无线接入网络（RAN）的频谱效率做为自己的目标。举例来说，动态调制可以根据无线链路的具体情况动态地调整正交相移键控（QPSK）和8-PSK的坐标尺寸，从而获得比静态调制更高的频谱效率这一方案已经在UMTS中使用。未来可能还会采用像16QAM和64QAM这样的高级调制方案。

　　在数字信号处理领域所取得的进步提高了芯片的处理速度和电源的控制速度（这样可以延长移动终端的电池寿命），并降低了设备提取有用数据时的信噪比要求，此外，这些进步还有助于加快载荷的压缩/扩展以及加密/解密的速度。

　　不连续传输（DTX）和可变比特率（VBR）的新语音编码技术可以节省多达50%的带宽需求。DTX可以在不发送持续语音信号的过程中节省传输带宽；VBR编码可以提高网络容量并扩大扇区的覆盖范围。

　　以上新技术将使3G网络在每一个1.23MHz信道内提供2.4Mb/s的峰值数据速率，或600～700kb/s的平均速率。由于像CDMA2000 1X和GPRS这样的2.5G无线技术所能提供的平均速率是100～120kb/s，因此，在给定频谱带宽内的用户数量可望增加5到6倍，而移动互联网也将变得更加实际。

　　接入网和骨干网

　　除了无线接口之外，无线网络的体系结构也将发生较大的变化，其中最重要的变化如图3所示。

　　＊全IP融合网络

　　未来，所有从基站发出的数据流都将是基于IP的数据流，传统的ATM骨干网络统统都将被IP网络所取代。负责认证和管理IP会话和VoIP呼叫的会话处理系统将会通过IP网络来相互连接。目标为PSTN的VoIP呼叫将会在IP网络边缘进行编码转换。原有的电路交换语音业务量将首先在原有的移动交换中心（MSC）被转换为分组数据，然后再通过IP网络进行传输。在链路层很可能使用MPLS做为汇聚层。此外，以太网专线也可以经济地取代MPLS。

　　＊QoS保证

　　由于无线接口需要承载不同的业务，因此有线网络和RAN的一部分均需要支持QoS机制以提供最低程度的性能保证。网络的性能指标包括时延、时延抖动、丢包率和吞吐量。离开基站的数据包可能需要打上标记（例如，DiffServ）来指明与应用相关的业务类别。然后，数据包就会被映射到IP网络边缘的MPLS隧道中。每一个隧道都配置以合适的QoS参数，确保IP数据流的端到端QoS。

　　＊802.11/3G的集成

　　无线用户希望能在公用无线局域网和蜂窝网络之间平滑地切换。这就需要有两种技术之间的切换机制、通用的用户资料数据库和认证方法。除了在802.11b和3G领域各自所取得的进步之外，有关在两种网络之间平滑移动的研究也取得了进展，尤其是在实时性切换、通用的用户资料和认证数据库领域的研究。

　　只要解决了像统一计费和无线路径安全这样的技术问题之后，无线服务提供商就有可能推出802.11业务作为蜂窝数据业务的补充。这样的混合业务允许运营商通过将数据业务量分流到802.11网络来提高3G网络的话音容量。这种情况可能会发生在移动范围较小和所需数据速率较高的本地区域内。在不远的将来，802.11g标准将允许无线局域网支持20～50Mb/s的数据速率，这一标准将会向后兼容802.11b产品。

　　在进行认证和管理移动用户的资料和互联网地址时需要有统一的移动性管理，以确保在像CDMA、GPRS、UMTS和802.11这样的不同技术的网络之间的安全漫游。新一代的HLR需要将传统的HLR功能（例如，用户位置管理、认证）和像认证、授权和计费（AAA）这样的IP会话管理功能结合在一起。它还将允许在网络中支持一个用户使用多个终端。

　　在3G的未来发展过程（3G+）中，新的技术将会继续影响无线网络的体系结构。其中有两个领域很引人注目：

　　在无线接口方面，频谱效率的研究致力于不断地提高每一单位带宽的数据速率。这对于高数据率的严格要求，提高扇区的用户密度，改善通话质量和扩展扇区的覆盖范围是必要的。多进多出（MIMO）技术是很有前途的技术，它利用了电磁波传播环境（特别是多路径衰减）的散射特性。通过在发射机和接收机上使用多元天线，传输速率能够大大超过使用单个天线进行收发的系统。

　　智能天线系统将多个天线单元和智能且功能强大的信号处理软硬件结合在了一起，从而优化了系统的发射/接收方向图。智能天线系统包括许多技术，如空间处理、相控阵、自适应天线阵以及数字化波束整形器等。

　　高速下行链路分组接入（HSDPA）充分使用所有可用的信号功率，并能依据预测的信道质量动态地自动调整调制和编码速率，从而提高带宽和功率效率。HSDPA将最终成为UMTS标准的一部分。

　　其它像正交频分复用（OFDM）和软件无线电（SDR）这样的技术也将会在3G网络中发挥重要的作用。

　　网络体系结构将以分布式结构取代分层结构，从而确保真正实现端到端的无线电通信。这一种结构将由无线和有线分组网络组成并采用，通用的移动性管理和控制，通用的传送基础设施和通用的会话控制。802.11、HSDPA和OFDM等无线接入技术将会共存于这样的网络。网络智能将被转移到离基站更近的网络边缘，以节省传送带宽（图4）。

　　在用户侧，由于采用通用的移动管理和其它先进技术，处理用户资料、AAA功能、用户位置数据和状态信息都可以通过统一的服务来完成。不同的用户可以通过相同的方式连接到网络，而与所使用的连接设备无关。这样，使用有线调制解调器拨号和使用无线PDA上网的方式是一样的。在同一个网络内可以支持不同的计费模式（例如，按通信时长、内容、通信流量计费），以及提供实时业务控制。

　　基于QoS的分组网络

　　多年以来，人们对IP VPN、多媒体、电子商务以及组播这样的企业数据业务已经深入和广泛地讨论。除了在管理完善的IP网络之外，这些业务大部分已在公用帧中继网或ATM网提供。然而，都未能完全满足关键的商业要求：良好的网络性能和可靠性，配置和路由选择的灵活性，不同应用的QoS保证以及与其它网络的互通性。

　　商务业务的未来发展在很大程度上将取决于高质量IP网络，即基于QoS的分组网络。

　　构建这样的网络体系的基础应包括现有的光核心网、传统数据网、新的宽带接入网、尽力传送的互联网设备，此外，还应包括光城域网和3G无线网设备（图5）。

　　基于QoS的分组网络的实现离不开几个关键的技术进步。在过去几年里，有许多IP QoS机制通过了标准化，使企业和服务提供商能够为IP网络设计基于QoS的端到端策略。802.1d将在企业局域网内用来指定以太网帧的优先级，而DiffServ则将在企业网的边缘用来标记特定IP数据包的QoS要求。在服务提供商的网络边缘，数据包将根据DiffServ标签被送到相应的MPLS隧道。

　　MPLS将IP网络的灵活性和帧中继或ATM网络的QoS保障能力结合在了一起。随着MPLS标准的成熟，一些需要确保全局服务质量的功能也将能通过IP网来提供。这些功能包括：建立用于流量工程的固定通路，负载均衡，发生故障时的快速重选路由，以及在网络中的不同隧道支持不同的QoS参数。从现有的IP/ATM网络演变到基于QoS的分组网络将需要使用新一代的MPLS分组交换机以便与传统的ATM和IP路由器接通。

　　基于QoS的分组网络的关键网络部件包括：

　　业务智能

　　智能层应具备识别用户及其应用的能力，理解每个用户的业务需求，不管何时何地如何到达网络都必须设法满足这些用户的要求。

　　这就允许用户参与业务配置过程的一部分，从而可大幅度降低服务提供商的运营成本。

　　这种智能层是由几个功能模块构成的（图6）。其中的关键模块是用户业务门户和智能网关，用户可通过Web页面和与用户相关的策略来完成启动或改变业务的操作。根据不同的业务请求，新的配置被下载到与提供业务相关的网元并被激活。用户资料和策略储存在用户数据库（C-DB）。

　　另一个关键模块是网络资源管理器（NRM），用于在MPLS隧道内维护QoS保证。NRM的任务是监视每一个端到端链路的使用情况。根据测量结果和隧道路由信息，NRM判断某一隧道的负荷是否已经达到了极限，从而在网络边缘不能再向这一隧道注入更多的业务量。网络使用率和隧道路由信息储存在网络使用数据库（NU-DB）。

　　配置管理器（CM）是用来将新的网络配置信息分发到各个网元。CM与网络目录数据库（NI-DB）和网元管理系统（EMS）之间分别设有接口。为了确保每一个用户的信息得到保护，可利用虚拟路由功能在一个网络内提供分离的VPN（虚拟专网）实体。

　　MPLS传输

　　MPLS基础设施可以在业务智能的驱动下，为传送预定业务在网络内提供动态连接。

　　在网络边缘的IP业务交换机之间可以根据业务智能的请求建立隧道传送基于QoS的业务。企业网可使用DiffServ来为数据业务传递QoS要求。每一个数据包可以根据它的DiffServ和目的地址送到合适的MPLS隧道。如果现有的隧道能满足基本的要求（QoS和对端地址）并有足够的带宽可用，那么业务智能也可以使用这些隧道。

　　千兆以太网、电缆、DSL和3G无线等宽带接入技术将平滑地与边缘MPLS交换机融合在一起。在骨干网中，由于流量较大，核心的MPLS交换机将最终提供直接的DWDM接口。IP业务量可直接映射到波长中并通过前述的全光交换机在光核心网中进行交换（图7）。

　　从MPLS层向光核心层提出的带宽请求可通过用户/网络接口（UNI）实现。该UNI接口允许客户端（如，MPLS交换机）创建、修改或删除通过光网络的光通道。带宽请求的关键参数包括保护类型、通过的节点数目以及成本的限制等。

　　服务提供商可以从现有的帧中继和ATM网络演变到未来的基于QoS的分组网络。例如，传统的帧中继/ATM交换机能继续服务于现有的客户以保持已有的帧中继/ATM增值业务。这时，它们在网络中的地位将从核心网元转变为边缘网元。在核心网中将会采用新的基于MPLS的网络来连接FR/ATM交换机。FR/ATM虚电路可以被映射到核心网中的MPLS隧道以提供端到端的QoS通路。而IP业务则可通过IP业务交换机直接连接MPLS核心网。经过一段时间以后，IP业务将会占据主导地位，FR/ATM边缘基础设施将会逐渐被淘汰。

　　结束语

　　本文中讨论的三种新的网络体系结构将会是电信网络未来十年的主要发展方向。全光核心网将能更经济、更透明地传送业务量；3G无线接入将能以适当的QoS指标来满足所有的应用，并将逐步地为实现移动互联网创造条件；基于QoS地分组网络将会更经济地提供企业分组业务。