通通信产业及关键技术的发展

通信产业及关键技术的发展东南大学 摘要：通信技术和通信产业20世纪80年代以来发展最快的领域之一。不论是在国际还是在国内都是如此。通信业务普及率的进一步提升，市场的进一步发展，驱动着通信技术的进步与创新。作为目前主流的通讯载体，通信领域的新一轮创新将会围绕着移动通信与互联网的发展及融合展开。 通信行业的关键技术将会走向宽带化、扁平化、多媒体化、绿色化及泛在化。关键词：无线通信、宽带化、扁平化、多媒体化、绿色化、泛在化、4G标准正文：一、 宽带化移动通信迈向宽带化，4G是当前标准化重点工作。1. 概述未来移动通信系统或称第四代移动通信系统可以在不同的平台和网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。简单来说，4G就是能够解决目前3G系统不足的下一代系统。1999年成立了ITU-R的WP8F工作组，其主要任务是负责3G未来发展和超3G的研究。在2001年10月在日本举行的第六次会议上讨论提出了“IMT-2000未来发展及超IMT-2000的远景框架与总目标（IMT-VIS）”，该文件定义的目标数据传输速率为：IMT-2000的未来发展在2005年左右实现最高约30Mbit/s的速率，而超3G（IMT-advanced）在2010年左右高速移动环境支持最高100Mbit/s的速率，在低速移动环境达到1Gbit/s的速率。2. 第四代移动通信系统的特征4G系统应该具有下面的特征：a. 通信速率更高专家称，4G的实际速率将达到1020Mbit/s，最高可达100Mbit/s。b. 网络占用频谱更宽据研究，每个4G信道将占用100MHz的频谱，相当于WCDMA 3G网络的20倍。c. 通信终端更加灵活4G终端的功能已不能简单划归“电话机”的范畴，因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一。而且4G终端的外观和样式上将有惊人的突破，可以想象，眼镜、手表、鞋都有可能是终端。d. 智能性能更高这里不仅指4G终端设备的设计和操作上，更重要的是4G终端可以实现许多难以想象的功能。e. 兼容性能更高，过渡更平稳为了让更多的用户在投资更少的情况下平稳地过渡到4G系统，4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。f. 高质量的多媒体通信 4G通信系统提供的宽带无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等多种业务应用。g. 通信费用更加便宜4G通信与其他技术相比，部署起来容易迅速得多，同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。 3.第四代移动通信系统的关键技术a. 新的调制技术新的调制技术要求数据速率从2Mbit/s提高到100Mbit/s，对全速移动用户能够提供150Mbit/s的高质量影像服务。第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而第四代移动通信系统采用的OFDM技术最受瞩目，OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。b. 软件无线电技术软件无线电技术可使移动终端和基站从3G到4G的发展速度大大加快，系统升级变得十分便捷。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多的用软件来定义无线功能，各种信号处理和功能都尽可能用软件来实现，其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。c. 智能天线系统智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，用于移动通信，既可改善信号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。目前，智能天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。由于全自适应方式的缺陷，提出了基于预多波束的波束切换方式。后者更容易实现，实际上我们将其看做是介于扇形天线与自适应天线间的一种技术，也是未来智能天线技术发展的方向。d. 网络技术 4G系统要满足3G不能达到的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，应能与宽带IP网络、宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式兼容，实现多媒体通信，形成综合宽带通信网。 二、 扁平化（一）无线接入网的扁平化 无线接入网的基站控制器作为功能实体将消失，其相应功能将下移到基站和核心网,无线网络要求自身具备SON 功能（二）核心网的扁平化过程 核心网在扁平化过程中，需有效提供语音业务核心网扁平化过程中的关键技术研究重点1、 云计算 云技术可以有效降低Capex和Opex。云技术可以改造业务网络的架构。 云技术可以在未来互联网业务竞争上提供成本优势。2、 M2M 通过M2M平台可以进行网络和设备经营、流量经营、平台经 营、业务经营。 3、 业务整合 富通信套件RCS融合消息业务CPM融合地址簿CAB三、 多媒体化无线宽带能力的快速提升，多媒体向移动网渗透的步伐也逐步加快近年来，随着宽带技术的发展，宽带用户的数量急剧上升。宽带为何如此受欢迎?原因之一是用户可以得到多种宽带服务，其中以影视服务为主的宽带流媒体服务最引人瞩目。目前，宽带用户基本上都是通过PC机接入宽带网络，而我国电视机的普及率却远远高于PC机，如果能把宽带流媒体服务扩展到机顶盒，使电视用户也能享受到宽带带来的好处，这将给运营商带来极大的商机。IPTV技术正是为实现这一目标而发展起来的。 IPTV即网络电视，它是利用IP宽带网络，以“电视机+机顶盒”为主要终端设备，为用户提供包括电视节目在内的互动多媒体服务的宽带增值业务。IPTV能提供点播、广播/直播、视频通信、短信/彩信、信息服务、游戏等业务。 IPTV技术是一项系统技术，主要包括音视频编解码技术、流媒体传送技术、宽带接入网络技术、IP机顶盒技术等。 1、音视频编解码技术 IPTV音视频编解码技术在整个系统中处于重要地位，IPTV作为IP网络上的视频应用，对音视频编解码有很高的要求。首先，编码要有高的压缩效率和好的图像质量，压缩效率越高，传输占用带宽越小；图像质量越高，用户体验则越好。其次，IPTV平台应能兼容不同编码标准的媒体文件，以适应今后业务的发展。最后，要求终端支持多种编码格式或具备解码能力在线升级功能。 目前主流的视频编码格式有以下几种：MPEG-2(ISO/EC 13818-2)、MPEG-4 Part 2(ISO/IEC14496-2)、H.264/AVC(即MPEG-4 Part10)、微软的WMV-9、Real公司的视频格式，前三者为公开的国际标准，后两者为企业的私有标准。 MPEG-2是DVD标准之一，编码比较简单，以TS(Transport Stream)流方式传输为主。MPEG-4 Part 2标准开放，同等条件下的编码复杂度是MPEG-2的3倍，图像质量是MPEG-2的1.53倍。H.264是3GPP编码标准之一，也是HD-DVD存储格式之一，同等条件下的编码复杂度是MPEG-2的4倍，图像质量是MPEG-2的48倍。微软的WMV-9是HD-DVD存储格式之一，同等条件下的编码复杂度是MPEG-2的1.52倍，图像质量是MPEG-2的1.53倍。Real公司的视频格式是在窄带(主要的互联网)上进行多媒体传输的压缩编码技术。 H.264具有高的编码效率和图像质量，代表了编解码技术的发展方向。同时，由于标准的开放性以及获得了3GPP、DVD Forum的支持，H.264已被大多数运营商和产业界看好，它将成为IPTV乃至互联网上其他视频业务的编码标准。 2、流媒体传送技术 IPTV的核心业务是数字音视频流业务，流媒体传送技术相当重要，如果传送技术高效可靠，不仅可以节约系统带宽，还可以减轻系统负担，使系统得到优化。通常，IPTV系统中流媒体的传送方式随用户接收方式不同而不同。从终端用户看主要有点播和广播两种接收方式。 2.1点播接收方式下流媒体传送 点播接收具有个性化，接收的内容和时间取决于用户喜好，具有实时交互特点。同时，点播业务对网络带宽的需求也很大，为了避免大量消耗骨干带宽，同时保证服务质量，要求IP网络能有效地将视频流推送到用户接入网络，使用户尽可能就近访问。内容分发网络(CDN)就能提供这种支持。 CDN是一个建立并覆盖在互联网上的特殊网络，通过互联网高效传递丰富的多媒体内容。它把流媒体内容从源服务器复制分发到最靠近终端用户的缓存服务器上，当终端用户请求某个业务时，由最靠近请求来源地的缓存服务器提供服务。如果缓存服务器中没有用户要访问的内容，CDN会根据配置自动到源服务器中，抓取相应的内容，提供给用户。 CDN的实现需要依赖多种网络技术的支持，主要包括负载均衡技术、动态内容路由、高速缓存机制、动态内容分发与复制、安全服务等。 2.2广播接收方式下流媒体传送 广播接收在用户看来是被动的，用户对内容选择只限于所提供的频道，是非交互型的。由于收看广播的用户收看的是相同内容，为了减少网络带宽浪费，广播接收方式对IP网络提出了组播功能要求。 组播是一种允许一个或多个发送者(组播源)一次并同时发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。在IPTV里，组播源往往仅有一个，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条主干链路上只传送单一视频流，即所谓“一次发送，组内广播”。组播提高了数据传送效率，减少了主干网出现拥塞的可能性。 根据组播复制点的位置，组播实现方式分为应用层组播、BARS组播和DSLAM组播。 3、宽带接入网络技术 IPTV接入可以充分利用现有宽带接入技术，主要有xDSL、FTTx+LAN、Cable Modem等三种。 3.1xDSL 目前，xDSL技术中最常用的技术有ADSL和VDSL。 ADSL是上下行传输速率不相等的DSL技术，它在一对双绞线上提供的下行速率为1.5Mbit/s8Mbit/s，上行速率为16Mbit/s640kbit/s。目前ADSL是我国主要的宽带接入方式，普通家庭用户ADSL速率通常在下行1Mbit/s左右，而IPTV需要大约3Mbit/s的下行带宽，因此，普通用户ADSL可以通过提速支持IPTV业务。 VDSL在一对双绞线上提供的下行速率为3Mbit/s-52Mbit/s，上行速率为1.5Mbit/s-2.3Mbit/s。因此，VDSL可以更好地支持IPTV业务。 3.2FTTx+LAN FTTx技术是光纤到x的简称，它可以是光纤到户(FTTH)、光纤到局(FTTE)、光纤到配线盒/路边(FTTC)、光纤到大楼/办公室(FTTB/O)。 光纤具有很宽的带宽，可以说，光纤到户技术非常有利于开展IPTV业务。 3.3Cable Modem Cable Modem接入方式是利用有线电视的同轴电缆传送数据信息，它的上下行速率可高达48Mbit/s。但Cable Modem是一种总线型的接入方式，同一条电缆上的用户互相共享带宽，在密集的住宅区，若用户过多，Cable Modem一般难以达到较为理想的速率。 4、IP机顶盒技术 IP机顶盒主要实现3方面的功能：a)与宽带接入网连接，收发和处理IP数据和视频流；b)对接收的视频流进行解码，包括对MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、WMV、Real等编码格式的解码，支持视频点播、电视屏幕显示、数字版权管理等功能；c)支持HTML网页浏览、网络游戏等。 IPTV机顶盒所有功能的实现均基于高性能微处理器，嵌入式操作系统是对芯片实时解码和纯软件实时解码应用的基本支撑平台。目前，IPTV机顶盒的嵌入式操作系统基本上分为嵌入式WinCE和嵌入式Linux两类。 4.1嵌入式WinCE机顶盒 WinCE最大特点是其API与Win32兼容，这有利于使用Windows环境开发WinCE应用，此外，WMV-9播放器还可直接运行于WinCE，许多现成的Windows组件稍加改造就能应用于终端上的网络管理以及视频流控制等，这些对DSL低带宽环境充分分享Windows Media优秀成果而言，不能不说是事半功倍的终端开发捷径。 4.2嵌入式Linux机顶盒 嵌入式Linux机顶盒以专用的多媒体微处理器为核心，辅以以太接口和视频接口构成系统。多媒体微处理器带有MPEG-2或MPEG-4实时解码功能芯片。系统优点是：a)视频处理速度明显提高，特别适合视频直播系统应用；b)内存占用少，硬件结构紧凑，成本不高；c)Linux源代码公开，有大量免费优秀开发工具和应用软件可用；d)Linux操作系统非常稳定，内核精悍，运行所需资源少，并有优秀的网络功能，支持的硬件数量庞大。高性价比是其最大特色。 绿色化绿色是新一代通信系统的设计关键要素（一） 绿色基站关键创新点 n RoFn 协同n 高效功放n 多模基带（二） 无线系统的绿色化技术n 网络扁平化n 基站功率降低n 基站工艺改进n 功放效率提升n 塔放和美化设计n 多制式统一n 再生能源的使用n 分布式天线n 多制式BBUn 多天线、多基站协调n 功放的自动关启n 软件无线电n 自动配置和优化n 中继站的使用四、 泛在化泛在网络应用繁多，但归根结底是以下主要业务功能的组合： 数据监测（包括事件） 远程控制 数据处理 与传统通信业务及其他业务相结合对网络具有一定的普遍基本功能需求： 接入控制和鉴权 安全性保证 业务请求的路由 连接性管理、故障管理 会话管理以及QoS保证完整的泛在网络应用提供还依赖于更多功能的提供： 终端的配置与管理（远程APP管理、DM等） 大量数据的存储与分析泛在网关键技术 系统架构 标识/路由/寻址 多种接入技术的无缝支持 签约管理 设备管理 业务控制与连接管理 QoS控制 互联互通 安全性 计费 管制要求 应用层接口和协议结束语：随着社会经济的不断发展和社会交流的日益增多，通信业在国民经济中的地位越来越重要，通信处于基础性和战略性的位置，并在此位置上发挥着越来越重要的作用。通信业的不断发展，对我国的通信技术水平提出了更高的要求，而通信技术水平的提高又保证了我国通信业的持续发展。但中国目前通信技术发展仍然存在三大问题：1.核心技术受制于人我国通信技术在数字程控交换机、光传输系统、接入网设备、GSM数字移动通信系统等方面的开发和产业化上取得了突破。但是，当前构成我国通信网络基础设施的关键芯片、系统软件和支撑软件等几乎都是建立在国外的设备和核心技术之上的。缺少自有品牌和自主知识产权的产品是我国通信技术发展的一大问题，在通信系统技术体制标准、通信协议及其知识产权方面都受到跨国大公司的控制，缺乏主动权，使我国通信产业发展受制于人。2.配套产业化依然薄弱由于微电子、光电子、材料等基础产业技术薄弱，通信整机产品所需的配套关键元器件（集成电路、新型片式元器件和光电器件等）和基础原材料（光纤预制棒等）基本是依赖进口，这种配套产业化的薄弱始终制约着我国通信产品技术的前进。3.移动通信自主开发产品难以进入市场我国第二代移动通信设备的制造水平已与国外水平相当，并且具备了一定的价格优势，但是却难以进入国内的移动通信设备市场。主要是由于国外厂商采用“先入为主”和“跑马圈地”的策略，使国内第二代移动通信设备市场基本由国外厂商所分割，国产设备难以进入经济发达地区。如果不抓紧对拥有自主知识产权的移动通信产品的开发和产业化，在3G时代来临时，我们将重蹈第二代移动通信基站设备的覆辙。作为一名信息专业的大一学生，虽然我们还未接触到专业知识，但是通过这次讲座我能感觉到，中国未来通信的发展方向需要我们去掌握，保证中国通信行业生生不息的重担将会压在我们的肩上。我们现在该做的是扎实的学好基础知识，熟练掌握专业知识，刻苦钻研，勇于创新和探索，以期在若干年后为我国的通信行业做出我自己的贡献。参考文献【1】李万林 通信产业及关键技术发展【2】杨大豪 移动通信发展概况【3】泛在网体系结构与标准化研讨【4】浅谈IPTV的音视频编解码、流媒体等技术