編者按：隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，人們對通信服務(wù)的需求已不再是簡單的話音和單向的視頻，而是更快速、更豐富、交互式的寬帶多媒體業(yè)務(wù)。寬帶通信與互聯(lián)網(wǎng)的普及極大地促進了數(shù)字媒體內(nèi)容的發(fā)展。而今，除了家電產(chǎn)品數(shù)字化的革新之外，構(gòu)建一個寬帶接入、內(nèi)部互聯(lián)、內(nèi)容共享的家庭網(wǎng)絡(luò)也日趨突顯。

　　一、數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

　　從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流看，通信、信息、娛樂等技術(shù)迅速成熟并開始融合，3C融合的趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)，信息資源在個人終端上得以整合，個人用戶可以直接面對一個虛擬的信息平臺進行操作，設(shè)備和信息之間實現(xiàn)無縫鏈接，所有這些使得“數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)”這個話題越來越熱。

　　1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的定義和業(yè)務(wù)應(yīng)用

　　數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是指通過家庭網(wǎng)關(guān)將公共網(wǎng)絡(luò)的功能和應(yīng)用延伸到家庭，并以可靈活配置的家庭智能布線系統(tǒng)為基礎(chǔ)或者構(gòu)筑無線環(huán)境，連接各種信息終端（如家電、PC等），提供集成的話音、數(shù)據(jù)、多媒體、控制和管理等功能，達到信息在家庭內(nèi)部終端與外部公共網(wǎng)絡(luò)及家庭內(nèi)部終端之間的流通和共享。

　　數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)通常定位于三個方面：a.家庭影音娛樂，觀看影片、欣賞音樂、個人影音STudio.b.電信及廣播業(yè)務(wù)，VOD、VOIP、IPTV、網(wǎng)絡(luò)游戲、遠程辦公/教育/醫(yī)療。c.控制和監(jiān)視功能，實現(xiàn)安防、電器控制、抄表、電源管理。通過數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)以下業(yè)務(wù)和應(yīng)用：a.與Internet互聯(lián)，通過機頂盒和電視機或者電腦實現(xiàn)VOD點播，并提供基于活動服務(wù)器網(wǎng)頁（Active Server Page，ASP）的海量存儲和個性化的信息服務(wù)及互動的Internet娛樂游戲等服務(wù)。b.實現(xiàn)家庭內(nèi)部各種信息終端的高速信息共享，如PDA、PC之間的數(shù)據(jù)共享。c.通過家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)遠程對各種家用電器的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測，如對微波爐、洗衣機、空調(diào)、燈光、電動窗簾、溫度和濕度控制器、風(fēng)量調(diào)節(jié)器等的控制。d.實現(xiàn)防盜報警器、自動煙霧探測器、有害氣體檢測裝置的自動報警并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶的手機、E_mail信箱或者小區(qū)的管理中心。e.通過家中攝像頭，利用家庭網(wǎng)關(guān)作為視頻服務(wù)器，用戶可遠端通過Internet實時監(jiān)控家庭安全。

　　2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的組成

　　數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常有三部分組成：a.家庭網(wǎng)關(guān)；b.各種信息終端設(shè)備和智能家電設(shè)備；c.家庭智能聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的構(gòu)筑，即將數(shù)字家庭內(nèi)各類終端互聯(lián)并與家庭網(wǎng)關(guān)相連，通過家庭內(nèi)部有線或無線方式的互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)各信息終端設(shè)備和智能家電設(shè)備的自組織聯(lián)網(wǎng)并提供自動發(fā)現(xiàn)和配置。其中家庭網(wǎng)關(guān)（Residential Gateway，RG或Home Gateway，HG）是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，是一種簡單的、智能的、標(biāo)準(zhǔn)化的、靈活的個人家庭網(wǎng)絡(luò)接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò)接收通信信號，將信號傳遞給某個設(shè)備。RG也是整個家庭網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的橋梁，是數(shù)字家庭各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用的關(guān)鍵。ITU-T 已經(jīng)將家庭網(wǎng)絡(luò)納入NGN（新一代網(wǎng)絡(luò)）的一部分，而RG將在其中扮演重要角色，RG在NGN中的位置及其與外部的連接如圖2所示，MGC為媒體網(wǎng)關(guān)控制器，MG為媒體網(wǎng)關(guān)。

　　RG應(yīng)具備以下功能：a.可同時進行多個或不同種類的接入，同樣家庭網(wǎng)絡(luò)可以使用多種技術(shù)來構(gòu)建；b.能同時處理多種類型的接入網(wǎng)技術(shù)和多種類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；c.能橋接接入網(wǎng)QoS和家庭網(wǎng)絡(luò)的QoS;d.能保障訪問的內(nèi)容不依賴于用以傳送內(nèi)容的硬件和傳輸機制；e.能靈活地支持最新技術(shù)；f.應(yīng)建立在靈活的平臺上，并且能夠很容易升級。

　　圖1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

　　圖2 NGN與家庭網(wǎng)關(guān)

　　3 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式

　　3.1 數(shù)宇家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部組網(wǎng)方式

　　家庭網(wǎng)絡(luò)是把家庭內(nèi)部的設(shè)備進行匯聚，構(gòu)成以RG為中心的通信網(wǎng)絡(luò)，因而家庭網(wǎng)絡(luò)的連接技術(shù)主要是家庭內(nèi)部各個終端的接入問題。RG與運營商連接端可選用GPON接入方式，對于RG 內(nèi)部與各設(shè)備間的互聯(lián)可選用多種技術(shù)，每種技術(shù)都有其特點和適用的范圍。

　　RG內(nèi)部與各設(shè)備間的互聯(lián)最通用的連接方式是以太網(wǎng)，所有的設(shè)備可以以太網(wǎng)的接口進行互聯(lián)，但有線網(wǎng)絡(luò)在某些場合會受到布線的限制：布線、改線工程量大，線路容易損壞，網(wǎng)中的各節(jié)點不可移動。因此，還可以通過無線局域網(wǎng)作為接入方式。

　　無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)可選用IEEE 802.1la/b/g，其中802.1la/g的傳輸速率為54 Mb/s，802.11b的傳輸速率為11 Mb/s，802.11a和802.11b工作在兩個完全不同的頻帶，采用完全不同的調(diào)制技術(shù)，兩者是完全不兼容的，但可以共存于同一區(qū)域而互不干擾。

　　最新批準(zhǔn)的802.11g有兩個最主要的特征：高速率和兼容802.1lb.802.11g標(biāo)準(zhǔn)是下一個主流的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它提供了高速數(shù)據(jù)通信帶寬，并以較為經(jīng)濟的成本提供了對原有主流無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的兼容。除此之外，家庭內(nèi)部組網(wǎng)還可以使用PI T（電力線通信技術(shù)）、HomePNA（家庭電話線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟，是一種家庭網(wǎng)絡(luò)的計算機互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)、HomePNA on COAX（基于同軸電纜的HomePNA）技術(shù)、藍牙、USB和DECT（增強型數(shù)字無繩通信）等。

　　3.2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)與外部公共網(wǎng)絡(luò)的連接

　　隨著寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用的多元化及帶寬需求的不斷提高，近兩年來全球掀起了光纖接人的熱潮。面向未來的寬帶應(yīng)用包括語音（VoIP和視頻電話）、數(shù)據(jù)（高速Internet業(yè)務(wù)）和視頻（IPTV）三大類。由于每一類寬帶應(yīng)用對接人帶寬的需求不同，因此需要選擇不同的寬帶接人方式。目前國內(nèi)絕大多數(shù)寬帶接人用戶的主要應(yīng)用是高速互聯(lián)網(wǎng)接人，xDSL或LAN可滿足絕大多數(shù)普通用戶需求。但如果還需要利用寬帶接人實現(xiàn)其它各種寬帶應(yīng)用，包括各種視頻服務(wù)（廣播電視、HDTV、VOD等）、視頻會議、視頻電話、交互網(wǎng)絡(luò)游戲等時，原有的接人技術(shù)在帶寬上就顯得難以勝任了。而GPON 接人方式可提供更高帶寬，為此類高端用戶輕松提供充足的帶寬以享受各類寬帶業(yè)務(wù)。

　　雖然上一代技術(shù)（BPON、EPON）可以滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的需求，但是基于1P協(xié)議的互動電視和高清晰度電視，以及電信運營商向綜合信息服務(wù)轉(zhuǎn)型后對網(wǎng)絡(luò)的要求更高，只有GPON才能更好地滿足。首先，GPON可支持多種速率等級，可支持上下行不對稱速率，上行不一定要支持1 Gb/s以上速率，而EPON只能支持對稱1 Gb/s單一速率，因此GPON的光器件選擇余地更大，從而可降低成本。其次，GPON可支持oDN等級Class A、B和C，而EPON只支持Class A 和B，因此GPON可支持高達128的分路比和長達20 km 的傳輸距離。再者，GPON標(biāo)準(zhǔn)提供了前所未有的高帶寬，下行速率高達2.5Gb/s，上行速率1.2 Gb/s，其非對稱特性更能適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；支持的業(yè)務(wù)類型包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（Ethernet業(yè)務(wù)，1P業(yè)務(wù)和MPEG視頻流）、PSTN業(yè)務(wù)（POTS、ISDN業(yè)務(wù)）、專用線業(yè)務(wù)（T1、E1、DS-3、E3和ATM）和視頻業(yè)務(wù)（數(shù)字視頻）；提供QoS的全業(yè)務(wù)保障，同時可將多業(yè)務(wù)映射到ATM 信元和（或）GEM（GPON Encapsulation Method）幀中進行傳送且有很好的服務(wù)等級，支持QoS保證和全業(yè)務(wù)接人的能力；承載GEM 幀時，可以將TDM 業(yè)務(wù)映射到GEM 幀中，使用標(biāo)準(zhǔn)的8 kHz（125 s）幀，能夠直接支持TDM 業(yè)務(wù)；作為電信級的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，GPON還規(guī)定了在接入網(wǎng)層面上的保護機制和完整的OAM 功能；GPON技術(shù)還允許運營商根據(jù)各自的市場潛力和特定的管制環(huán)境，有針對性地提供客戶所需要的特定業(yè)務(wù)。

　　相對于上一代技術(shù)，GPON無論是在傳輸匯聚層還是在業(yè)務(wù)適配層的效率都是最高的，其總效率最高，等效系統(tǒng)成本最低。假設(shè)TDM 業(yè)務(wù)占1O 、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占9O ，則GPON 的總效率為94 ，而APON和EPON分別為72 和49 .GPON不僅可以提供10 Mb/s、100 Mb/s、1 Gb/s的業(yè)務(wù)，還可以提供VI AN業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)，可以適應(yīng)任何現(xiàn)有業(yè)務(wù)和未來新業(yè)務(wù)的適配要求。

　　GPON 由光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)終端（oNT）及環(huán)形（或樹形）拓撲結(jié)構(gòu)的PON 組成。

　　OLT位于中心機房，向上提供廣域網(wǎng)接口，包括GbE，OC-3/STM一1，DS-3等，向下對PON 可提供1.244 Gb/s或2.488 Gb/s的光接口。ONU/ONT位于用戶側(cè)，為用戶提供10/100 BaseT，T1/E1，DS一3等應(yīng)用接口，其對PON 的光接口速率有155Mb/s，622 Mb/s，1.244 Gb/s和2.488Gb/s等多種選擇。從oLT到ONU/ONT的方向為下行方向，采用廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)流傳輸方式；反之為上行方向，采用基于統(tǒng)計復(fù)用的時分多址接人（TDMA）技術(shù)。

　　PON通過粗波分復(fù)用（CWDM）覆蓋實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的全雙工傳輸。PON一般采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)，在需要提供業(yè)務(wù)保護和通道保護的情況下，可增加保護環(huán)，對某些ONT提供保護功能。

　　目前，基于GPON技術(shù)的FTTx是寬帶接人的最佳技術(shù)，是實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻三網(wǎng)融合的保證。

　　但GPON技術(shù)設(shè)備相對復(fù)雜，GPON承載有QoS保障的多業(yè)務(wù)和強大的OAM 能力等優(yōu)勢，很大程度上是以技術(shù)和設(shè)備的復(fù)雜性為代價換來的，從而使得相關(guān)設(shè)備成本較高。隨著GPON技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，GPON設(shè)備的成本將會下降。

　　4 總 結(jié)

　　在網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)快速發(fā)展的今天，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)有著重要的研究價值，它是公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)向家庭的延伸，也是電信運營商和網(wǎng)絡(luò)運營商下一個重要的市場擴展空間。高速的家庭業(yè)務(wù)需要高的帶寬，因此數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的接人技術(shù)也是隨之研究的一大熱點，GPON無疑將成為未來接入網(wǎng)的最好選擇，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)和GPON結(jié)合是未來家庭寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展的必然結(jié)果。

　　二、基于智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　可以預(yù)見，未來幾年將是寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和家庭網(wǎng)絡(luò)普及的上升期，隨著全球3C（Cornputer，Communication，Cosumer）的融合趨勢，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是計算機、數(shù)字家電和移動信息終端通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的無縫協(xié)作。

　　目前的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，除了PC和家庭網(wǎng)關(guān)／路由器以外，又出現(xiàn)了媒體適配器及媒體服務(wù)器，這類新設(shè)備將許多媒體處理任務(wù)從PC中分流出來，構(gòu)成一種無中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如何將家庭控制網(wǎng)、數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)和家庭A／V網(wǎng)這三個相互之間異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成家庭高速信息網(wǎng)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入、防盜報警、室內(nèi)電器自動控制管理、門禁對講、遠程抄表、遠程Web監(jiān)控、視頻點播等成為信息技術(shù)領(lǐng)域中的一個研究熱點。

　　l 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

　　1．1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本功能

　　數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通過家庭網(wǎng)關(guān)將公共網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用延伸到家庭，并以可靈活配置的家庭智能布線系統(tǒng)，連接多種多樣的終端設(shè)備，提供集成的話音、數(shù)據(jù)、多媒體、控制和管理等功能，達到信息在家庭內(nèi)部終端與外部公網(wǎng)及家庭內(nèi)部終端之間的充分流通和共享。其具備以下功能：

　　家庭網(wǎng)關(guān)可同時連接多個或不同種類的接入技術(shù)，如支持ADSL和局域網(wǎng)接入。在系統(tǒng)功能上能夠同時處理多種類型的接入網(wǎng)技術(shù)和多種類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　家庭網(wǎng)絡(luò)分為三部分：家庭控制網(wǎng)、數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)，這三種網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、帶寬需求、傳輸介質(zhì)、安全要求以及QoS（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量）要求上均有明顯差異，因此可以使用多種技術(shù)來構(gòu)建，家庭控制網(wǎng)以采用基于X-10總線協(xié)議的PLC電力線載波技術(shù)為傳輸介質(zhì)；而數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)以無線為傳輸介質(zhì)，采用超寬頻UWB技術(shù)，以極低功率的信號實現(xiàn)114 Mb／s的傳輸速率，滿足多媒體業(yè)務(wù)對帶寬的需求。

　　支持射頻接入技術(shù)，用戶通過家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的Web Server功能控制高頻頭選臺，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數(shù)據(jù)流，編碼轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)（如MPEGl）的數(shù)字媒體流，經(jīng)WLAN傳輸?shù)礁鞫嗝襟w播放終端，實現(xiàn)家庭內(nèi)部各種信息終端的高速信息共享。

　　家庭網(wǎng)關(guān)能橋接接入網(wǎng)QoS和家庭網(wǎng)絡(luò)的QoS，保障訪問的內(nèi)容不依賴于用以傳送內(nèi)容的硬件和傳輸機制；通過模塊的遠程下載功能，靈活地支持最新技術(shù)，使得系統(tǒng)很容易升級，以支持未來新興業(yè)務(wù)。

　　通過家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的Web Server功能實現(xiàn)遠程對各種家用電器設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測，并通過SSID和VLAN技術(shù)保證用戶控制命令和數(shù)據(jù)的安全性。

　　家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Intranet、遠程辦公。

　　1．2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　以PLC電力線載波技術(shù)和UWB無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)基于智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)將家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)、家庭控制網(wǎng)有機的結(jié)合在一起，以標(biāo)準(zhǔn)C和JAVA作為開發(fā)平臺，采用RC232434作為嵌入式系統(tǒng)核心CPU，應(yīng)用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，采用多SSID技術(shù)、VLAN技術(shù)和VPN技術(shù)實現(xiàn)智能路由，并提高QoS品質(zhì)，通過家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將小區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號、射頻數(shù)字電視信號、電話信號、音視頻信號、家電控制信號同時納入到家庭網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)處理多種類型的接入網(wǎng)技術(shù)和多種類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1．3 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)框圖及分析

　　家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)框圖（如圖2所示）有7個模塊：

　?。?）RC32434 CPU核心模塊，是家庭網(wǎng)關(guān)最為核心的部分，以Linux操作系統(tǒng)為核心，管理、協(xié)調(diào)各周邊模塊。主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、智能路由、QoS動態(tài)配置、網(wǎng)絡(luò)安全等功能；

　　（2）以太網(wǎng)接口模塊是管理多個以太網(wǎng)接入端口，負責(zé)實現(xiàn)輕量級TCP／IP協(xié)議棧；

　?。?）ADSL電話接口模塊，實現(xiàn)電話信號的數(shù)字化，并通過UWB進行傳輸，同時可將寬帶ADSL信號解調(diào)后進行廣域網(wǎng)服務(wù)端口和局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則映射；

　?。?）射頻接口模塊，內(nèi)置高頻頭，對高頻電視信號進行處理，具備選頻、放大及變頻功能，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數(shù)據(jù)流，編碼轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)（如MPEG1）的數(shù)字媒體流；

　?。?）PLC電力線載波接口模塊，通過PCI總線與RC32434 CPU進行信息交互，將外網(wǎng)對家電控制信息通過電力線載波的方式傳輸給各家電終端，此模塊實現(xiàn)采用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制和前向糾錯等核心算法；

　　（6）UWB無線通信模塊，通過PCI總線與

　　RC32434 CPU進行信息交互，將寬帶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和多媒體音視頻流通過超寬頻UWB傳輸，同時接收PC和媒體終端的流媒體，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到外網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)；

　?。?）Web Servet管理模塊是家庭內(nèi)部各種智能應(yīng)用終端的信息和狀態(tài)均以網(wǎng)頁的形式通過Web服務(wù)器傳給遠程監(jiān)控用戶。

　　系統(tǒng)引入VPN技術(shù)，遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)的安全遠程訪問和控制。家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Intranet、遠程辦公。

　　2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)原理

　　2．1 PLC技術(shù)原理

　　PLC利用1．6～30 MHz頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制，然后在電力線上進行傳輸；在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號。PLC技術(shù)主要包括電力線網(wǎng)絡(luò)單元（PNU），它負責(zé)控制電力線網(wǎng)絡(luò)并從單元配電網(wǎng)集成話務(wù)，通過適當(dāng)?shù)碾娦鸥删€接口，PNU再將話務(wù)傳至饋電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)中使用的不同介質(zhì)，PNU也可轉(zhuǎn)換來自低壓配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)話務(wù)。

　　2．2 UWB技術(shù)原理

　　UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖 間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。UWB技術(shù)采用脈沖位置調(diào)制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬為0．1～1．5 ns，重復(fù)周期在25～1 000 ns。

　　3 系統(tǒng)創(chuàng)新內(nèi)容

　　3．1 應(yīng)用創(chuàng)新

　　3．1．1 基于RC32434的MIPS+Linux的系統(tǒng)平臺

　　本系統(tǒng)采用IDT的RC32434 Interprise集成通信處理器，其采用32位MIPS 4Kc CPU，支持標(biāo)準(zhǔn)媒體獨立接口（MII）及簡化標(biāo)準(zhǔn)媒體獨立接口（RMII），在此硬件平臺上移植Linux，并且開發(fā)了多協(xié)議應(yīng)用協(xié)議庫和設(shè)備驅(qū)動程序，MIPS+Linux系統(tǒng)平臺具有良好的穩(wěn)定、移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完整的TCP／IP協(xié)議棧、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持，以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API，其內(nèi)核緊湊，編譯后小于512 KB。

　　3．1．2 多SSID和VLAN技術(shù)應(yīng)用

　　家庭網(wǎng)關(guān)可采用無線傳輸方式（如通過802．1lX）進行家庭內(nèi)部組網(wǎng)，引入SSID技術(shù)可以將一個無線局域網(wǎng)分為幾個需要不同身份驗證的子網(wǎng)絡(luò)，每一個子網(wǎng)絡(luò)都需要獨立的身份驗證，防止未被授權(quán)的用戶進入本網(wǎng)絡(luò)，而且采用多SSID技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬AP功能。不同的SSID可以采用不同的認證方式及訪問權(quán)限，也可映射為不同的VLAN，實現(xiàn)公共熱點與家庭內(nèi)部網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)隔離。

　　3．1．3 強型X-10的總線技術(shù)應(yīng)用

　　家庭控制網(wǎng)采用X-10的總線傳輸技術(shù)，性價比高、兼容性、可擴充性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于家庭控制網(wǎng)絡(luò)，但由于其是在電力線中傳播數(shù)據(jù)，抗干擾能力較差，為了解決此問題需要對X-10協(xié)議進行改進和擴充，使其具用較強的抗干擾特性，且兼容標(biāo)準(zhǔn)的x-10協(xié)議。

　　3．1．4 VPN技術(shù)應(yīng)用

　　將VPN技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，可采用Access VPN和Intranet VPN兩種技術(shù)。遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)的安全遠程訪問和控制。家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Intranet、遠程辦公。

　　3．2 技術(shù)創(chuàng)新

　　3．2．1 家庭網(wǎng)關(guān)的多業(yè)務(wù)、多種端口技術(shù)

　　家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)使用戶能連接家里盡可能多的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)運營商可利用這些設(shè)備捆綁多種業(yè)務(wù)，控制從基礎(chǔ)設(shè)施到終端設(shè)備等家庭網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備上的業(yè)務(wù)。因此在硬件上采用多端口設(shè)計方案，具有RJ45，RJll，PLC，WLAN和射頻多種接口，這樣可通過網(wǎng)關(guān)方便連接如IPTV機頂盒、網(wǎng)絡(luò)游戲終端、IP電話終端等多種終端設(shè)備。在軟件上采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和模塊化設(shè)計思想，支持模塊的遠程下載更新，以支持未來新興業(yè)務(wù)的媒體設(shè)備，使得家庭網(wǎng)關(guān)成為服務(wù)提供商與用戶之間最重要的接口。

　　3．2．2 三網(wǎng)合一內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

　　家庭網(wǎng)關(guān)連接家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)和家庭控制網(wǎng)，其在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳輸碼流、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量以及傳輸載體上都有較大差異，如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩瑧?yīng)由家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成，并且通過SSID和VLAN技術(shù)實現(xiàn)公共熱點與家庭內(nèi)部網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)隔離，提高用戶數(shù)據(jù)的安全性。家庭網(wǎng)關(guān)的物理接口可支持UWB和PLC兩種傳輸方式，為用戶提供便捷的接入方式，如控制網(wǎng)可采用基于x-10協(xié)議的電力線載波傳輸模式，移動媒體終端采用UWB傳輸技術(shù)，保證對帶寬的需求。

　　3．2．3 QoS（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量）動態(tài)配置技術(shù)

　　QoS的實現(xiàn)需要在家庭網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間的帶寬映射分配機制，將外部網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流按照家庭網(wǎng)絡(luò)情況進行重新映射分配，需要在家庭網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)帶寬的動態(tài)預(yù)留和分配功能，家庭網(wǎng)關(guān)需要同時實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量機制，保證端到端的QoS。另外，需要對家庭中各個終端的QoS能力進行定義，制定終端設(shè)備和家庭網(wǎng)關(guān)之間的QoS信令機制。

　　3．2．4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)*濾技術(shù)

　　網(wǎng)絡(luò)IP報文的IP報頭及所承載的上層協(xié)議（如TCP）報頭的每個域包含了可以由路由器進行處理的信息，可以由這些域的各式各樣的組合形成不同的規(guī)則。家庭網(wǎng)關(guān)提供了基于接口的*濾，即可以在寬帶上行口的進出兩個方向上對報文進行過濾，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

　　4 結(jié)語

　　“處處計算，處處連接”是數(shù)字家庭的最終目標(biāo)，在寬帶網(wǎng)絡(luò)完成最后一公里接入之后，隨著家庭網(wǎng)絡(luò)的普及，多種多樣的終端設(shè)備將逐步完成寬帶最后一米的延伸，將更多更好的服務(wù)推送到家庭。本文提出采用PLC電力線載波和超寬頻UWB技術(shù)構(gòu)建家庭控制網(wǎng)、家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和家庭A／V網(wǎng)，通過智能網(wǎng)關(guān)的管理實現(xiàn)三網(wǎng)合一，為數(shù)字家庭夢想的實現(xiàn)推波助瀾。

　　三、基于電力線數(shù)字家庭實現(xiàn)方案

　　摘要：分析了電力載波數(shù)據(jù)通信的特點，介紹了幾種典型的電力載波芯片，提出了一個基于電力線的數(shù)字家庭實現(xiàn)方案。

　　關(guān)鍵詞：電力線　電力線載波　數(shù)字家庭

　　信息時代的來臨，使信息家電日益受到市場和廠家的關(guān)注。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與迅速普及，人們的生活方式正在發(fā)生深刻的變化。所謂數(shù)字家庭的概念和現(xiàn)實需求正漸漸向我們走來。

　　數(shù)字家庭作為一個動態(tài)過程，應(yīng)該包含三方面的內(nèi)容：（1）信息產(chǎn)品的家電化，如機頂盒、web游戲機、web電視、web電話，還有掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費類電子產(chǎn)品；（2）傳統(tǒng)家電的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，如電冰箱、洗衣機、微波爐等植入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使之工作于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上；（3）基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用模式。

　　數(shù)字家庭的實現(xiàn)面臨著兩方面的問題：（1）家庭信息需求的具體化，即數(shù)字家庭的概念模型到實際模型，國內(nèi)外都進行了一些有益的探索；（2）技術(shù)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)接入方案和設(shè)備互連方案。藍牙技術(shù)為設(shè)備間的無線互聯(lián)提供了一種理想的解決方案。由于價格上的原因，該技術(shù)的普及還有一些困難。居家所固有的低壓電力線布線結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字互連提供了一種潛在的可能。本文試圖對電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c進行分析，介紹幾種現(xiàn)有的電力線載波芯片，并提出一種基于電力線布線結(jié)構(gòu)的數(shù)字家庭實現(xiàn)方案。

　　1 電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c

　　本文所指電力線是指用戶端低壓電力配線網(wǎng)，其主要功能是傳輸50Hz的工頻電能。利用電力線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸即采用電力線載波技術(shù)。由于電力線本身不是為通信設(shè)計的，因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。從通信角度來說電力線對數(shù)據(jù)傳輸還有一系列技術(shù)上的難點，其主要特點如下：

　　（1）配電變壓器對電力載波信號的阻隔。配電變壓器主要實現(xiàn)50Hz工頻電能的變換，因此對高頻電力載波信號起阻斷作用。這使得電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶艿揭欢ǖ南拗?。通常只能在一個配電變壓器范圍內(nèi)或更小的范圍內(nèi)傳送。

　?。?）三相電力線間有效信號的損失（10dB~30dB）。由于信號跨越相線時要與配電變壓器的副邊發(fā)生關(guān)聯(lián)，必然引入衰減。對于近距離，不同相之間或許可以收到信號。但是距離一遠就比較困難了。這是對電力載波傳輸范圍的又一個限制因素。通常電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。

　?。?）電力線本身固有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50Hz和60Hz，則周期為20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100Hz或120Hz脈沖干擾，干擾時間約2ms。固定干擾必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過零點時間短，實際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又較長，難以應(yīng)用。

　?。?）電力負載對載波信號衰減。當(dāng)電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高衰減。實際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時，點對點載波信號可傳輸幾公里；但當(dāng)電力線上負荷很重時，只能傳輸幾十米。因此，只有進一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。提高載波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積，而且，單一提高載波信號功率并不是有效的方法。

　?。?）電力設(shè)備產(chǎn)生的噪聲干擾。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，會給電力線帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線藕合下來的噪聲一般在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來解調(diào)數(shù)據(jù)信號，通訊距離會相當(dāng)短。

　?。?）電力線引起數(shù)據(jù)信號畸變。電力線網(wǎng)本身是一個分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同點對數(shù)據(jù)信號影響是不一樣的，同時電力線時刻動態(tài)變化，不同時間對數(shù)據(jù)信號影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號經(jīng)過電力線后，嚴重變形、參差不齊，必須加以特殊處理。

　　基于以上六個特點，電力線作為數(shù)據(jù)信號的傳輸介質(zhì)不是特別理想。進入20世紀90年代以后，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電力線載波技術(shù)已經(jīng)獲得了重大突破。1997年10月，英國聯(lián)合電力公司的通信子公司Norweb公司與加拿大Nortel公司聯(lián)合宣布已經(jīng)解決了電力抗干擾等問題。1998年夏天，Norweb 公司已為英格蘭西北部的2000個居民和商業(yè)用戶提供通過電力線的因特網(wǎng)服務(wù)，速率達到了1Mbps，比現(xiàn)行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德國RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德國萊錫林根向公眾展示利用電力網(wǎng)線傳送電話和數(shù)據(jù)的技術(shù)，用戶通過低壓電力線以高于現(xiàn)在ISDN 20倍的速率在因特網(wǎng)上傳輸和瀏覽數(shù)據(jù)。1999年4月，一家以色列公司和一家美國公司也宣布，他們正在聯(lián)合開發(fā)借助公共電力網(wǎng)傳送因特網(wǎng)數(shù)據(jù)的新技術(shù)，1999年內(nèi)將使因特網(wǎng)傳輸速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未來一兩年內(nèi)提高到10Mbps。

　　2 現(xiàn)有幾種電力線載波芯片

　　實現(xiàn)電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結(jié)起來就是功能強大和性能優(yōu)越的電力線載波專用modem芯片的設(shè)計和應(yīng)用。國外很早對電力線載波通訊技術(shù)進行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)（480Y/277V，208Y/120Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)（400Y/230Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設(shè)計，在國內(nèi)使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波modem芯片在一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強使用。國內(nèi)可使用的電力線載波modem芯片有以下幾種：

　　（1）XR2210/XR2206套片或LM1893

　　這是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設(shè)計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式。它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內(nèi)基本沒有采用。

　?。?）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通訊而設(shè)計的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，只是各公司應(yīng)用水平不同。ST7536是半雙工的FSK modem芯片，600bps時靈敏度為2mV，1200bps時靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊采用了數(shù)字濾波器、AFC（自動頻率控制）、ALC（自動輸出幅度控制）以及軟件上的3字節(jié)容錯等現(xiàn)代通訊技術(shù)。ST7536也是較早的電力線載波modem芯片，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的FSK方式，加上3字節(jié)容錯，最高波特率只能達到400bps。另外它無CSMA（網(wǎng)絡(luò)載波偵聽）功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域，ST7536是最適合的modem芯片。但它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按1200bps計算，每833μs中斷一次，對更復(fù)雜的應(yīng)用來講，833μs間隔短了一點。

　?。?）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻（Chirp方式）調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。但在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域使用效果還不如較早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設(shè)計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線－地藕合方式。由于針對家庭自動化，主要一家一戶式獨立住宅，所以在通訊距離上，它還采用陷波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網(wǎng)的家庭局域網(wǎng)的應(yīng)用。

　　（4）PLT-22

　　PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發(fā)器，它是針對工業(yè)控制網(wǎng)而設(shè)計的。它采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，目前在中國電力線網(wǎng)上應(yīng)用效果較理想。但是由于它是Lonworks網(wǎng)絡(luò)專用，而且價格太高，因此在市場普及上有一定的困難。

　　3 實現(xiàn)方案

　　數(shù)字家庭一個主要應(yīng)用領(lǐng)域就是基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家電的控制，如網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)電飯鍋等。家電網(wǎng)絡(luò)化的目的在于實現(xiàn)用戶對家電的異地遠程監(jiān)控，如通過Internet對家里的空調(diào)進行遙控操作，包括開機、關(guān)機、溫度調(diào)節(jié)等。另外，家庭電器設(shè)備與相關(guān)機構(gòu)的互連，如網(wǎng)絡(luò)冰箱可以將冰箱內(nèi)的物品消耗和存量情況通報物流配送公司。物流配送公司將根據(jù)用戶的消費習(xí)慣及時補充物品。

　　基于電力線網(wǎng)信息家電的實現(xiàn)方案可以包含兩個部分：一是家庭局域網(wǎng)與外部的連接?二是基于電力線布線的家庭局域網(wǎng)。家庭網(wǎng)與寬帶城域網(wǎng)的外部互連方式有多種，目前比較流行的大概有三類：

　?。?）HFC方式：采用現(xiàn)有的CATV傳輸網(wǎng)絡(luò)雙向功能的開發(fā)，實現(xiàn)用戶的寬帶接入。

　?。?）ADSL方式：利用電話線實現(xiàn)用戶寬帶接入的經(jīng)濟而有效的方法。

　　（3）LAN方式：利用小區(qū)局域網(wǎng)技術(shù)，采用雙絞線構(gòu)建樓宇用戶內(nèi)外的寬帶互連方式。

　　組建家庭局域網(wǎng)的內(nèi)部接入方式也有多種形式，目前正在積極實驗和試圖投入商業(yè)應(yīng)用的主要方式有以下幾種：

　　（1）無線方式：以藍牙技術(shù)為代表的近距離無線接入方式在信息家電領(lǐng)域有較大發(fā)展。但是由于價格上的原因，普及應(yīng)用上還有一些困難。

　?。?）雙絞線方式：采用分離的專門網(wǎng)線實現(xiàn)信號的傳遞，這在實際使用時有諸多不便。

　　（3）電力線方式：由于采用與電器供電線路一體化的信道方式，可避免重新布線。便于電器的任意移動。尤其適合網(wǎng)絡(luò)接入部分的嵌入式設(shè)計。一個基于電力線網(wǎng)的數(shù)字家庭實現(xiàn)方案如圖1所示。

　　在該方案中家庭內(nèi)部的互連通過電力線實現(xiàn)。其關(guān)鍵設(shè)備是電力線耦合器和電力線modem。這兩部分可以作為一個整體嵌入在各個信息家電里。這種設(shè)計理念將有助于構(gòu)建完整的一體化數(shù)字家庭，而且無需增加附加的布線資源。

　　圖1中，智能家庭網(wǎng)關(guān)是一個獨立、智能、靈活多變、標(biāo)準(zhǔn)化的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接口單元。它通過各種途徑（如Internet、WAP、電話、手機等）從多種多樣的外部網(wǎng)絡(luò)接收通信信號，然后通過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將信號傳送到特定的用戶設(shè)備上，并將相應(yīng)信號反饋給外部通信節(jié)點，實現(xiàn)整個遠程交互過程。

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)是智能家庭局域網(wǎng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享及同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，同時網(wǎng)關(guān)一般還負責(zé)家庭智能設(shè)備的管理和控制。為適用于普通的家庭用戶，網(wǎng)關(guān)一般設(shè)計為非PC廉價設(shè)備，采用嵌入式Internet技術(shù)和高性能微處理器。

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備以下功能：

　　·Internet接入功能；

　　·簡單的modem功能；

　　·Web服務(wù)器功能；

　　·簡單的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能；

　　·智能家居控制和管理功能；

　　·簡單友好的用戶操作界面；

　　·具有系統(tǒng)升級和重構(gòu)功能。

　　用戶可以在任何地方通過Internet、寬帶城域網(wǎng)與家庭智能網(wǎng)關(guān)建立連接，再通過智能家庭網(wǎng)關(guān)與家庭內(nèi)部的任何一臺信息家電或控制裝置相連，從而實現(xiàn)對家庭內(nèi)部各種電器的控制以及其它信息的監(jiān)控。家庭用戶終端和各種信息家電也可以通過智能網(wǎng)關(guān)與Internet或外界溝通。這樣使得整個家庭以數(shù)字方式與外界構(gòu)成一種互連關(guān)系。

　　傳統(tǒng)家電向信息家電的過渡是一個必然趨勢，在這一過程中即有傳統(tǒng)產(chǎn)品的升級改造問題也有新產(chǎn)品的開發(fā)問題，其核心問題還是數(shù)字化。數(shù)字化只是一個手段，網(wǎng)絡(luò)化才是其真正的目的。數(shù)字家庭的實現(xiàn)是信息家電基于完善的家庭網(wǎng)絡(luò)平臺的系統(tǒng)集成。而電力線網(wǎng)在家庭網(wǎng)絡(luò)平臺的構(gòu)建中具有極大的開發(fā)潛力。因為電力線網(wǎng)可以說是世界上現(xiàn)有分布最廣、與普通家庭關(guān)系最為緊密的有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如何充分利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)承載電話、數(shù)據(jù)和電視信號是一個很有價值的研究課題。

　　由于我國電力線網(wǎng)與國外電力線網(wǎng)的差異，目前還沒有真正適合國內(nèi)電力線網(wǎng)特性的載波通訊的modem芯片。另外，由于中國的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民住宅分布狀況、電力線載波通訊的應(yīng)用領(lǐng)域等方面與國外也有很多不同之處。電力線載波通訊modem芯片是制約國內(nèi)電力線載波通訊市場迅速增長的主要瓶頸之一。同時也延緩了中國用戶對電力線載波通訊技術(shù)的認同和接受。針對國內(nèi)電網(wǎng)特性、住宅結(jié)構(gòu)、市場要求等情況的深入研究，通過對國外電力線載波通訊技術(shù)的深入了解，利用國外先進的現(xiàn)代通訊技術(shù)，開發(fā)適合國內(nèi)電力線載波通訊modem芯片將具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

　　針對數(shù)字家庭所進行的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)該包含兩個方面：一是技術(shù)本身的創(chuàng)新，如新型modem芯片的開發(fā)；二是應(yīng)用模式的創(chuàng)新，如家居網(wǎng)關(guān)的模型、數(shù)字家庭的應(yīng)用模式等。從某種意義上說后者比前者還要重要。換句話說，設(shè)計出人們愿意接受的數(shù)字家庭應(yīng)用模式在引導(dǎo)人們需求的同時也會對技術(shù)產(chǎn)生巨大的推動。

　　四、誰將是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)睦硐脒x擇？

　　從各方面匯集的信息來看，數(shù)字家庭無疑將是消費電子行業(yè)中下一個熱點。幾乎所有的主要半導(dǎo)體公司向該領(lǐng)域發(fā)力，半導(dǎo)體巨頭TI更是將該領(lǐng)域作為續(xù)寫其DSP輝煌的舞臺。圍繞數(shù)字家庭的控制權(quán)，出現(xiàn)了電視（以電視為核心）、電信（以網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)為核心）和IT（以PC為核心）三大派別。然而，數(shù)字家庭究竟是什么？具有什么樣的內(nèi)涵？圍繞數(shù)字家庭究竟能為用戶演繹出多少“故事”？無論是業(yè)內(nèi)專家，還是消費者雖然都有無限的遐想，但還是很難用三言兩語給出一個統(tǒng)一的解釋。但可以肯定的是，數(shù)字家庭所賦予的內(nèi)涵會越來越豐富，但這是應(yīng)用層的事情！而支撐這些豐富應(yīng)用的底層技術(shù)，或者說組網(wǎng)技術(shù)將會是怎樣的呢？

　　有線媒質(zhì)在數(shù)字家庭傳輸中受到制約

　　盡管對于很多新裝家居來說，可能有各式各樣的布線，包括電話線，同軸線，網(wǎng)絡(luò)類線乃至光纖。盡管這些布線在混合組網(wǎng)中可以發(fā)揮一些作用，但是最大一個問題就是無法滿足移動性，也無法升級，成本也很高。電力線作為數(shù)字家庭的傳輸媒質(zhì)，目前已經(jīng)以HomePlug標(biāo)準(zhǔn)的形式得到了驗證，包括Arkados的多家公司都推出了HomePlug模塊，數(shù)據(jù)傳輸測試效果還不錯，從覆蓋面上都比其他有線技術(shù)要廣，似乎比較適合大量的低端主流用戶，但就中國的現(xiàn)實情況來看，線路上的浪涌和高壓安全問題制約其短期內(nèi)還難有尚好表現(xiàn)。由此，有線媒質(zhì)所受的制約將成全無線媒質(zhì)擔(dān)當(dāng)數(shù)字家庭中的組網(wǎng)重任。

　　圖1：以WiFi為主構(gòu)建數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)。

　　WiFi能成為家庭網(wǎng)絡(luò)的理想支持？

　　說到WiFi，的確有一個很有趣的事情，即數(shù)年前許多專家都認為WiFi即將消亡，因為它有太多的局限了，歸根結(jié)底就是它沒有漫游功能，不能自組網(wǎng)，從而只能成為其他技術(shù)的附庸。再就是該技術(shù)缺乏競爭力的盈利模式。但是，近年來的發(fā)展情況卻令許多專家跌破眼鏡，WiFi的出貨量連年激增。目前已成為無線聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)。然而，另一方面，投入巨資建設(shè)WiFi網(wǎng)絡(luò)的運營商卻無利可圖，甚至不斷虧本，最后高興的只是芯片制造商，原因就在于WiFi受到其他技術(shù)的擠壓，沒有明確的獨立盈利模式。

　　但是，數(shù)字家庭似乎為WiFi找到了一個可以獨擔(dān)大任的發(fā)揮場合。它使用開放頻段，采用直序擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps，也可根據(jù)鏈路衰落狀態(tài)把傳輸率動態(tài)調(diào)整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬。無需直線傳播傳輸范圍為室外最大300米，室內(nèi)有障礙的情況下最大100米，足以滿足家庭應(yīng)用，其“無線保真”的本意似乎也和家庭娛樂需求更為貼合。所以，無論是從傳輸率，還是覆蓋都好像很符合數(shù)字家庭的應(yīng)用。當(dāng)然，也不乏與其激烈競爭的技術(shù)，WiMedia 陣營的UWB就是其中一項。Pluse Link的CWave采用的就是這種技術(shù)。UWB采用了很多頗具優(yōu)勢的底層技術(shù)，包括MIMO，OFDM，數(shù)據(jù)率目前已經(jīng)高達近1Gbps。但這項技術(shù)側(cè)重的高數(shù)據(jù)率，其過短的覆蓋距離將會制約它在數(shù)字家庭中的表現(xiàn)。

　　數(shù)字家庭的一個必不可少的功能就是與外界的互連問題。如今，802.11g是WiFi最成功的無線標(biāo)準(zhǔn)。基于WiFi的特性，使得該技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)層的無線技術(shù)顯得更為友好。這可能就是該技術(shù)目前在數(shù)字家庭領(lǐng)域占據(jù)較大份額的原因之一。Broadcom公司無線連接集團無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Michael Hurlston認為，WiFi如今已經(jīng)成為數(shù)字家庭的最理想的支撐技術(shù)。他的理由很簡單：那就是針對今天的各種應(yīng)用，Wi-Fi能夠以消費者可以承受的價格提供足夠的帶寬和覆蓋距離。近些年來，Wi-Fi制造商們已經(jīng)在產(chǎn)品安全性和易用性上取得了可喜的進步。其帶來的直接結(jié)果，就是Wi-Fi市場的持續(xù)膨脹，以及針對各種特殊應(yīng)用出現(xiàn)的不同變體。另外，他認為隨著802.11g逐漸下降的價格、功耗以及技術(shù)集成度，將會持續(xù)推動其進入數(shù)字家庭應(yīng)用市場，包括移動電話、打印機和媒體播放器。

　　還有一個不可忽視的因素，就是802.11n正在迅速成為無線PC和路由器的事實標(biāo)準(zhǔn)，這將為高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用提供了額外的支持。這些應(yīng)用包括數(shù)字家庭中的視頻流傳輸，3D游戲等。802.11n為WiFi提供的5G頻段，更是為WiFi添加了新的動力，使之具備了進入包括機頂盒、高清電視、媒體播放器等消費類電子領(lǐng)域的能力?！巴ㄟ^兩個標(biāo)準(zhǔn)的互補，使得WiFi生態(tài)環(huán)境將繼續(xù)改進人們在家庭中的溝通方式以及對媒體節(jié)目的享受體驗”，Hurlston認為。

　　但另一方面，無論是802.11g，還是802.11n，其頻率的衰落特性在數(shù)字家庭中都將受到考驗，尤其是后者。需要考慮的應(yīng)該是事情的兩個方面，一方面要考慮建筑物衰落特性對應(yīng)用QoS的影響，另一方面還要考慮加大功率時產(chǎn)生的綜合EMI問題。尤其是中國單元式住房結(jié)構(gòu)與西方國家有很大的不同。

　　ZigBee還能否趕上數(shù)字家庭的盛宴？

　　數(shù)字家庭中有很大一塊任務(wù)屬于控制域，即傳感器網(wǎng)絡(luò)的范疇。涉及到安全監(jiān)控，自動抄表，遠程控制和維修，各種電子電氣設(shè)備的控制等。這類任務(wù)無需太高的傳輸速率，但可靠性和網(wǎng)絡(luò)體系更為主要。這些特性似乎決定了ZigBee成為其最為理想的選擇。飛思卡爾香港有限公司無線與移動系統(tǒng)事業(yè)部市場經(jīng)理鄺景亮就是如此認為的，他說：“ZigBee具有路徑選擇、自動連結(jié)網(wǎng)絡(luò)及自我恢復(fù)等主要功能，非常適合數(shù)字家庭中的監(jiān)控、控制與感測式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”。但他同時認為，目前由于設(shè)備更新和成本問題，ZigBee將首先僅在燈光控制中得到應(yīng)用。

　　圖2：ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的三級設(shè)備類型。

　　ZigBee協(xié)議定義了三種節(jié)點類型-網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，它負責(zé)的功能包括建立，維持和管理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址等。協(xié)調(diào)器可以通過選擇網(wǎng)絡(luò)的工作信道和個域網(wǎng)識別標(biāo)志（PAN ID）來啟動一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一旦網(wǎng)絡(luò)啟動，路由器和終端設(shè)備就能加入網(wǎng)絡(luò)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和路由數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)具有嚴格的級別管理，終端設(shè)備不能參與路由數(shù)據(jù)，因此在不發(fā)射和接收數(shù)據(jù)時可以休眠。這些特點恰恰與數(shù)字家庭中的控制功能相匹配。ZigBee的覆蓋距離最大為近100米，這點與家庭應(yīng)用也比較貼合。

　　其實，ZigBee還有另外一個優(yōu)點，那就是工作頻段問題。該技術(shù)除了ISM頻段外，還支持其他多個頻段。有不少工程師認為400M和800M頻段對數(shù)據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)可能都是不錯的頻率選擇。的確，這些頻段對中低速數(shù)據(jù)傳輸有優(yōu)勢，尤其是許多公司都有成本很低的收發(fā)器模塊。從而在成本上更有優(yōu)勢，另外，也有利于無線電愛好者開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，從另一個方面促進數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的推廣。

　　然而，ZigBee網(wǎng)絡(luò)也存在著一些問題，如由于網(wǎng)絡(luò)地址重復(fù)和更改而造成的尋址機制的缺陷，面對目前不斷增加的組網(wǎng)能力和安全需求，協(xié)議中的存儲容量難以滿足802.15.4MAC/PHY、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以及其他所期望的應(yīng)用功能需求。還有一個關(guān)鍵缺陷是，ZigBee不能夠像藍牙技術(shù)那樣，支持信道的動態(tài)切換。這對未來數(shù)字家庭中WiFi，ZigBee混合組網(wǎng)以及QoS的保證都將是一個挑戰(zhàn)。

　　除了技術(shù)本身，ZigBee聯(lián)盟自身存在的問題也對該技術(shù)能否在數(shù)字家庭中大顯身手蒙上一層陰影。那就是如何針對現(xiàn)有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進行升級的問題。由于商業(yè)利益，標(biāo)準(zhǔn)的幾大關(guān)鍵發(fā)起廠商各說各話，都不愿放棄對己有利的條款，始終難以達成有效的折衷。也正是這一點，使得該標(biāo)準(zhǔn)的進展就像老牛拉破車一般緩慢。

　　也正是由于上述因素，迫使不少廠商另辟新徑，許多準(zhǔn)ZigBee的解決方案不斷涌現(xiàn)。如ST，Jennic，Maxstream以及富昌電子等公司的簡易ZigBee解決方案。這些簡易方案已經(jīng)在家庭控制等許多方面得到了不少的應(yīng)用。

　　從目前的態(tài)勢來看，市場需求對ZigBee的壓力似乎還不夠大，因為數(shù)字家庭技術(shù)還處在探索階段，受社會服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)以及管理體制等多方面的制約，中國的數(shù)字家庭市場似乎還不會那么快膨脹，這給ZigBee提供了喘息的機會。但筆者認為，任何時候都不要忘記中國消費者在這方面的超前習(xí)慣，早期培育有利于厚積薄發(fā)。

　　家庭網(wǎng)絡(luò)中的QoS和安全更為關(guān)鍵

　　雖然不同于運營商級網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中的QoS也是非常關(guān)鍵的。關(guān)于保證QoS的MAC，如今的數(shù)字家庭解決方案中似乎少有人提及，而是將注意力都放到了帶寬上。實際上，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的QoS的重要性只會比現(xiàn)有局域網(wǎng)更高。試想，當(dāng)你正在全神貫注地欣賞點播的高清節(jié)目，誰能樂意不斷地被其他不相關(guān)的業(yè)務(wù)所打擾？

　　值得欣慰的是，已經(jīng)有公司注意到了這個問題的重要性。已經(jīng)有公司推出支持IEEE802.15.3b MAC的芯片。這種MAC是支持IP的，從底層開始設(shè)計。利用該MAC，就能支持同步的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)數(shù)字家庭中不同地點的大容量娛樂內(nèi)容的可靠配送。

　　還有一個關(guān)鍵就是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中的安全技術(shù)。目前，已經(jīng)很多人將個人金融或家庭銀行列入數(shù)字家庭中不可或缺的一部分。的確，在家里辦理各種金融業(yè)務(wù)及理財，似乎在地理上非常安全，再也不用擔(dān)心偷拍偷錄等侵犯金融安全的行為，還解決了隨時的問題。但隨之而來的就是網(wǎng)絡(luò)安全問題。這不僅是傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全，而且無論是哪種控制核心，其本身也都是必須考慮的安全環(huán)節(jié)。

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