用三网融合的概念评述4G

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一、引言
　　这里所说的4G即第四代蜂窝移动通信。尽管4G的概念至今仍相当模糊，但关于4G的描述，4G的技术实现以及4G的试验和产品的报导，已连篇累牍。ITU关于4G标准的制定时间远在2010年之后，但某些国家的运营公司已经宣称2O06年将提供4G服务。因此，4G的发展不能不引起人们的极大关注。
　　4G来源于蜂窝移动通信，但其内涵已大大超出蜂窝移动通信。事实上，它已经涉及到计算机数据交换、移动电视和交互式视讯信息交换等。因此，它应当承担三网融合的使命。而且，作为三网融合的共同承载网络——互联网，将成为贯通三网的核心技术。三网都将失去其独立组网特征，而沦为下一代网络(NGN)的接入网。所以，探讨4G，必须以三网融合的概念为依据。
　　基于以上原因，下面所探讨的通信网，就特指蜂窝移动通信网。计算机数据网，也主要以无线局域网为代表。到目前为止，还没有人将广播电视的发展与4G扯到一起，但4G业务依然包含交互式视讯交流等信息服务内容。而且数字电视的发展，移动数字电视进入实用，必然引发移动数字电视与4G关系的联想。既然早有三网融合的梦想，顺理成章，就应该将数字电视新的发展方向与4G相联系。
二、三网融合的必备条件
　　通信网、计算机数据网、广播电视网三网融合的梦想由来已久，但要真正实现这一梦想，其必备条件到现在才初露曙光。
　　1.信号数字化
　　数字化将使通信网、计算机数据网、广播电视网的话音、数据和图像信号使用统一的信号型式成为可能。
　　5O年代的计算机主流是模拟计算机，6O年代实现了计算机数字化。而通信网的数字化经由信息数字化、传输数字化、程控交换数字化，和由固定通信网数字化到移动通信网数字化的过程，大约花了半个世纪的时间，直到20世纪晚期才最后完成。而广播电视的数字化，目前仍在进行中。
　　三个不同的网络，分别传送话音、数据与图像信号，只有三网完全实现了数字化，即实现以二进制数码表示所有的各种信号之后，才能进行三网的融合。
　　2.共同的承载网络
　　通信网实现数字化之后，网络是以程控数字交换为核心的线路交换网。计算机之间的数据交换最早是使用分组交换技术。互联网的成功普及，使通信网和计算机数据网很快接受了互联网协议。而广播电视从来就是单向的广播式服务网络，不存在交换的需求。由于近年来数字技术的推动与社会政治、经济、文化的发展，提出了交互式图像服务和Peer to Peer(或称P2P)的信息交换需求，促进了网络电视的发展，使得在网上双向传送图像信息和利用各种信息资源进行多种信息服务成为可能。因此，互联网的资源为电视网所用就很有必要。三网融合是三网自身的发展需求，只有三网进入到共同的承载网络，才能实现三网的最终融合。
　　实现三网融合意味着通信网、计算机数据网和广播电视网的技术都要实现自身的技术提升，同时也意味着三网技术的相互渗透。
　　3.相同的呼叫地址型式
　　通信网的地址型式是十进制电话号码，国际标准为E.164。举例来说，86代表中国，2O代表广州，33331111是用户号码。其特点是符合人们的记忆习惯，便于电话机号码盘操作。
　　计算机数据网最早是用互联网作为承载网络，使用互联网的域名和地址型式。互联网中结点的标识被称为域名，例如在IPv4标准中，美国白宫服务器的域名即为www.white house.gov，是用英文表示的。域名所对应的数字表示即为地址，例如域名tidbits.com的IP地址是192.135.191.128。显然，IPv4的地址型式与E.164电话号码不一致。
　　广播电视历来是广播式的单向传输，所以用户并没有地址。无线情况下，一般无需收取费用。即便是计费的无线电视或有线电视，也是靠接收点的居住地来收取，从来不需要地址表述。
　　用户地址代表用户的身份，每个用户有不同的归属、权利和业务方式，网络通过地址区分用户的身份、消费记录和收取费用。用户也靠自身的地址接受他人的访问。同一个网络中的用户要有统一的地址型式，才便于网络管理。因此，三网融合必须解决目前三网不同地址型式的最终统一问题。这是一个看似简单，实际并不简单的问题。
　　4.信息资源共享
　　未来的蜂窝移动通信网、计算机数据网、广播电视网的共同发展趋势是，都能实现话音、数据、静止图像和连续图像传输，都需要各种信息资源的供应与交流。而信息资源的供应又都在第三方，自然大家都希望能够做到信息资源共享。
三、三网融合的必然趋势
　　通信网的代表性接入网是蜂窝移动通信网。计算机数据网的代表性技术是IEEE 802系列标准，广播电视目前基本上仍然是模拟电视(广播模式)和近年发展的网络电视。数字电视正在进入人们的生活，数字电视技术着重于研究图像压缩技术和传输编码体制。数字电视的进入必将使人们的生活发生巨大的变化。
　　1.蜂窝移动通信
　　蜂窝移动通信的第一代是模拟移动通信，它开创了公众移动通信服务。第二代是数字移动通信，为三网融合在信号型式上奠定了基础。因此，这两代都具有划时代的意义。第三代移动通信扩大了数字信息应用领域，通过标准的演进逐步从第二代的话音业务和低速数据业务扩展到广泛的信息服务领域。从技术体制来讲，主要是继承了2G的以干扰饱和为特征的传统CDMA技术，结合TDMA的应用，在具体应用中充实了若干技术改进，提高了频谱效率和传输能力，可认为是2G的延伸。从交换方式上来讲，3G标准沿袭了2G从线路交换向分组交换的过渡过程。因此，严格讲，3G不具备划时代意义。
　　4G将在信息服务方面全面发展和逐步成熟。在NGN成为社会基础设施的历史条件下，4G将处于NGN的接入网地位。4G将提供与计算机数据通信网相似的完美的信息服务，它必然以公众的IP网络为依托。因此，4G也将必然是划时代的技术。
　　2.计算机数据通信网
　　计算机数据通信经历了一个从有线到无线，从孤岛通信到联网通信的发展过程。典型的标准是IEEE.802系列标准。而无线的计算机数据网标准的发展和普遍应用则是近10年内的事情，从802.11至802.15，802.16以至正在研讨的802.2O，内容覆盖局域网、个域网和城域网。其发展趋势是追求更高的移动性、无缝连接和全覆盖。
　　计算机数据网从一开始就使用分组交换协议，互联网的普及为计算机数据网提供了理想的网络平台。所以，三网融合，无论是信号型式，还是网络平台，对计算机数据网而言都是轻车熟路。然而，适应高速移动和全覆盖无缝连接，诸如漫游、切换及小区间干扰等，对计算机数据网而言，则是全新的课题。
　　3.广播电视网
　　实现了数字化的广播电视网，将会进入崭新的服务时代。首先是用户可以向广播电视中心申请点播自己所希望的节目，这就要求建立反向通信链路。进而，又可能出现大量的视讯资源供应商。他们与广播电视网络合作，提供资源支持，于是又将有交互式视讯传输要求。进入互联网时代后，可提供网络电视、远程教育和网络浏览服务等。
四、三网的不同技术特点及发展趋势
　　1.通信网
　　三网融合对固定通信网而言远比移动通信网简单。经过1G-3G的发展，蜂窝移动通信在提供语音、数据、视讯信息服务方面已经相继成熟，其发展趋势是向包容计算机数据通信业务和交互式视讯服务方向迈进。蜂窝移动通信作为正宗的4G候选技术是必然的趋势。
　　蜂窝移动通信是通过特有的蜂窝型组网结构实现网络的地域全覆盖。由此产生的特有频谱资源再用、小区和小区间干扰、切换及漫游等特殊技术处理，使系统具有以下特点：
　　●蜂窝移动通信网可实现无缝连接。
　　●蜂窝移动通信网可以是完全独立的网络。
　　●用户通过向网络资源管理中心申请信道的方式占用频谱资源，所有的用户分享频谱资源。
　　●为适应移动性与全覆盖的需求，蜂窝移动通信的工作频段不能太高，即每载波同时占用信道用户数和每用户可用最高信息传输速率不能太高，否则必然限制系统的通信容量。
　　●在通信速率和运动载体移动速度方面采取折衷方案。
　　●为提高频谱效率，设计追求永远是蜂窝移动通信体制设计的核心课题。
　　当前，成熟并作为主流的技术是高通公司拥有专利的传统CDMA技术。该技术的特点是，系统容量决定于因正交序列的相关特性不理想所引起的自干扰，所以被称作干扰饱和系统。
　　我国北京邮电大学李道本教授发明并正在方正联宇公司研究开发的LAS-CDMA技术，利用无干扰窗口理论构成的LAS码消除了系统的自干扰。由于是系统容量决定设备内的白噪声，所以被称为噪声饱和系统。于是，系统容量大大提高，可实现每载波容纳更多的用户同时通信和每用户可使用更高的数据速率。
　　新的热门课题还有重新拾起的多入多出(MIMO)技术，即多天线发送多天线接收技术，可以进一步提高系统容量。
　　近来，蜂窝移动通信研究的另一个趋向是借用计算机数据网惯用的OFDM(正交频分复用)技术。
　　2.计算机数据网
　　由于微型计算机的发展，资源共享成为计算机使用者的普遍需求，从而带动了计算机数据网的发展，到上世纪9O年代后期特别引人注目。IEEE802.16标准目标已经瞄准了4G的发展需求，计算机数据网技术自然是4G的有力竞争者之一。
　　源自局域网的计算机数据网具有以下特点：
　　●以岛式覆盖为基本的网络结构型式，因此通常并不考虑越区切换和过网漫游的设计。
　　●以有线线路实现局域网的对外连接，用户间以微波作为载波，具有频带宽、容量大的特点，速率可达每秒几十至几百兆比特。
　　●用户通常采取始终在线的连接方式，同一网络的用户群共享同一频谱资源，而不是通过申请信道和资源分配的方式分享频谱资源。
　　●计算机数据网的传输通常使用OFDM技术，这是缘于数字音频广播(DAB)和数字视频广播(DVB)的一项成熟的技术。
　　●移动性设计不是计算机数据网的优势。
　　为瞄准4G的发展需求，源自计算机数据网的基本技术面临以下设计改进需求：
　　●为满足全覆盖无缝连接的需求，必须引入切换、漫游技术，还要考虑邻小区干扰影响。
　　●为了适应移动工作环境，应考虑多径干扰和多仆勒效应对OFDM严格同步需求的影响。
　　●鉴于话音通信低速率用户占用信道的考虑，应进一步缩小子载波间隔。
　　3.广播电视网
　　我国的模拟广播电视网从无线到有线乃至卫星，覆盖了全国。数字电视的研究和标准的制定已到最终决策阶段。按照目前的计划，应在2O05年开展数字卫星直播电视业务，2O08年全面推广地面数字电视业务，实现有线、卫星、无线全国覆盖。
　　实现数字电视后，既可获得普通电视服务，又可获得付费电视节目服务，还有影视点播和各种信息服务。在很多领域，与当前发展的3G和日后的4G服务相交叠。
　　数字电视的核心技术是图像压缩技术，压缩范围是从995Mbit/s的数据率压缩至2O～30Mbit/s。所使用的标准有电视会议系统的H.261，静止图像压缩的JPEG，连续图像压缩的MPEG三种。而传输技术则有MQAM，QPSK，VSB，COFDM等。此外，还有音频信号的编码与压缩和基带信号的复用技术等。我国的数字电视标准目前以清华和上海交大两个建议方案(标准)为代表。清华的DMBT标准以OFDM为主体技术，并加入一些特色设计，具有自主知识产权。上海交大的ADTB-T标准为单载波、4/16/64QAM调制方式，也拥有自己的知识产权。
五、对于三网融合的理解
　　1.共同的承载网络是融合的基点
　　蜂窝移动通信网的基本信息是话音和低速数据，计算机数据网的基本信息是高速数据，电视广播的基本信息是图像。随着蜂窝移动通信网信息服务领域的拓宽，也有了静止图像与连续图像，计算机上网浏览同样有静止图像与连续图像。正在发展的Peer to Peer则是双向多媒体业务。电视广播的发展同样走上了信息服务领域。这样一来，三网的信息资源、服务领域越来越趋于一致，以至相互交流信息也成为必然趋势。
　　同时，承载语音、数据、静止图像、连续图像的共同承载网络是互联网，因此互联网成为三网融合的基点。
　　2.宏观上支持“无所不在，无所不能”
　　以IP为承载网络的4G应该支持IP网的“无所不在，无所不能”的普遍特征，也就是4G网络适用于所有可能的应用场合，能做任何需要做的事情。这是由于NGN的全部应用都必须通过接入网(NGI)来实现，移动NGI必然具备所有NGI所需要的功能。4G将是移动NGI，而只有移动NGI才能具备无所不在，无所不能的特性。
　　3.微观上个性化服务
　　4G支持“无所不在，无所不能”，并不等于一个系统，一套设备能实现“无所不在，无所不能”。用户群体各有所需，应用环境各有特点，各种设备各有所长。例如，家庭电视是大屏幕、高清晰，台式计算机显示信息多，操作功能强。手持终端灵巧方便，便于携带，可在移动中收发信息。然而，此之长，即彼之短。任何一种设备都难做到十全十美。因此，不同的用户群体在不同的使用环境下，必然要选择最适合的手段来应用。为了适应不同的应用需求，网络必须提供有差别的服务。不能想象手机移动视讯服务能够取代广播电视，手机上网能够取代计算机上网。但人们在特定条件下，用手机作视讯信息交流和上网获得信息自然是重要的潜在市场，况且中国联通已经在其CDMA IX网上开通了手机电视新闻频道。国外已通过卫星电视网络开展视讯业务及远程教育，网络浏览也已成熟。数字电视开通之后，电视在信息服务领域的开发以及开通手持式移动电视也是必然趋势。
六、共用的承载网络
　　共同的承载网络必然是互联网。目前，关于互联网的体制有两种。一种是源自美国国防部的ARPA网的IPv4和IPv6，其管理部门是IETF(The Internet Engineering Task Force)。但实际上，互联网受控于美国是举世皆知的事实。另一个是我国信息产业部颁布的十进制网络标准，使用IPv9协议，我国拥有知识产权。尽管互联网体制的安全因素与国际政治、国民经济息息相关，是特别重要的因素，但不是本文探讨的重点，本文只从技术层面作简单的比较说明。
　　1.互联网IPv6
　　●关于IPv4及其升级到IPv6的资料已经非常丰富。这里只列举与IPv6相关的技术特点：
　　●IPv6的地址量为2128，已足够大。
　　●IPv6在移动性上有所加强，但尚未见成功的应用，特别是在3G系统设备上还未有成功的体现。
　　●IPv6在安全性上有所增强，但安全性控制在美国方面。
　　●IPv6准备建立ENUM(Telephone Number Mapping working group)，即E.164标准电话号码映射工作组。按照这个标准，即可利用电话号码来查找注册人的电子邮件、IP电话号码、统一信息、IP传真或个人网页等多种信息。ENUM近似于我国的数字域名，但提出时间比我国的数字域名申请专利的时间为晚。
　　2.数字域名和IPv9
　　数字域名直接用数字0-9表示，电话网、计算机数据网和广播电视网是统一的。例如001 020 84001000，与电话号码相一致。数字域名是IPv9协议中选用的域名表示方法。
　　采用数字域名的网络为十进制网络，中国拥有完全的知识产权。数字域名是我国上海通用化工技术研究所发明的，拥有技术专利。IPv9是实现数字域名的协议标准，其特点如下：
　　●IPv9的地址量为2256，比IPv6更大。
　　●IPv9可以对IPv6和IPv4后向兼容。
　　●IPv9的移动性已于2004年在LAS-CDMA蜂窝移动通信系统试验中得到证实，是好用的。
　　●IPv9的安全性有保障。
　　●IPv9所服务的数字域名十进制网络可满足三网融合地址型式相同的需求。
　　IPv9用于十进制网络、数字域名、蜂窝移动通信已在LAS-CDMA系统试验中获得成功验证。
　　3.统一管理的骨干网
　　为适应NGN的发展，特别是以互联网为承载网络的技术需求。统一管理的骨干网是必要的。
　　当前，我国有线骨干线网并不统一，各大运营公司各搞一套，结果是重复建设，互联互通问题很难解决。未来以互联网为承载网络，分不清市话还是长途，分不清本地业务还是远程业务，如果没有统一管理的骨干网，计费就成为无法实现的难题，互联互通将更加困难。统一管理的骨干网，分散经营的接入网体制才能适应发展的需要。
七、结束语
　　4G将与NGN的建设不期而遇。4G应该是NGN的一部分，4G必须适应三网融合的发展需求，它将在当前的三网基本技术基础上发展起来，既要实现“无所不在，无所不能”，又要满足个性化服务的需求。因此，多体制、多技术仍将共存，必须统一的将是共同的承载网络——互联网。