（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统在数字社区中的应用.pdf

摘要 摘要 随着世界经济和科学技术水平的不断提高，特别是计算机技术、通讯技术、 网络技术、控制技术、信息技术的急速发展，促使人们对日常生活水准产生了的 不断追求，家庭数字化成为一种必然。居住环境舒适化、安全化，改变了人们的 生活习惯，提高了人们的生活质量，数字地球、数字城市以及数字家庭也正是在 这种形势下应运而生的。 数字家庭是将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装 置，通过家庭网络技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、 控制和家庭事务性的管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与统一。这些 都是通过家庭数字化的核心家庭控制器系统来实现的。家庭控制器系统集测 量、控制为一体，通过家庭网络系统实现对家庭安防系统的监控和报警、三表的 查收、智能家电的控制以及视频点播等功能。所以说家庭控制器系统是数字社区 的核心，也有人将它比喻成人的大脑。由此可见，家庭控制器系统在数字社区中 的重要作用。 嵌入式家庭控制器系统的整体设计方案本着符合我国国情的原则，以开发自 主知识产权的、标准化的家庭控制器系统为目的，致力于发展一个以社会各阶层 居民用户为主体的有序化网络体系结构。 本课题把当今信息领域最为热门的h f c 宽带网接入技术、嵌入式技术应用到 家庭控制系统的设计中，构造了一个价格低廉、功能较完善的数字社区应用体系 结构，满足了社会各阶层居民用户对居住环境的基本要求。 关键词数字社区；宽带接入网；嵌入式系统；家庭控制器；w b t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o g r e s s e so ft h ew o r l d s e c o n o m ya n ds c i e n c e ， e s p e 。i a l l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p 【n e n t s i nt e c h n o l o g ya r e a ss u c h a s c 。m p j t e r ， c o m m u n i c a t i o n ，n e t w 。r k ， c o n t r o la n di n f o r m a t i o n ，p e o p l ea r e p u r s d i n gh i g h e r l i v i n g l e v e l i tm a k e sd i g i t a l h o m ei n e v i t a b l e t h e c o m f 。r ta n ds e c u r it yo fi n h a b it a n c ye n v i r o n m e n tc h a n g e d o u r1i v i n gh a b it s a n d 五m p r o v e do u rl i v i n gq u a l i t i e s d i g i t a le a r t h ，d i g i t a lc i t y a n dd i g i t a l h o m ea r ee m e r g i n gu n d e rt h i ss i t u a t i 。n i nd i g i t a lh o m e ，a 1 1k i n d so fc o m u n i c a t i o nd e v i c e s ，h o m ea p p l i a n c e s a n dh o m es e c u r i t ye q u i p m e n t sr e l a t e dt oi n f o r m a t i o nw e r el i n k e dt oah o m e i n t e ni g e n ts y s t e mv i ah o m en e t w o r k st om 。n i t o r ， c o n t r 0 1a n dm a n a g eh o m e a f f a i r sc e n t r a l l yo rr e m o t e l y m e a n w h i l e ，i tc a nm a i n t a i nt h eh a r m o n ya n d u n i f i c a t i o nb e t w e e nt h e s eh o m ef a c il i t i e sa n dr e s i d e n te n v i r o n m e n t s a l l t h e s i jw e r ec o m 口l e t e db yu s eo ft h ec o r eo fd i g i t a lh o m e h o m ec o n t r 0 1 1 e r s y s t i j m i n t e g r a t i n gw i t hm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l ，t h eh o m ec o n t r o l l e r s v s te j mc a na c h i e v ef u n c t i o n ss u c ha sm o n i t o ra n da l a r mo fh o m es e c u r i t y s y s te j m ，i n s p e c t i o na n dc h a r g ec 0 1 l e c t i o no fw a t e rm e t e r ， g a sm e t e ra n d e l e c l ，r i c i t ym e t e r ，c o n t r o lo fi n t e l l i g e n th o m ea p p l i a n c e sa n d v o d s ot h e h o m ec o n t r o l l e rs y s t e mw a sc a l l e dt h ec o r eo fd i g i t a lc o m m u n i t y s o m e o n e t o o kita sh u m a n sb r a i n f r o mt h e s ew ec a nu n d e r s t a n dt h ei m p o r t a n c eo f t h eh o m ec o n t r o l l e rs y s t e mi nd i g i t a lc o m m u n i t y c ( ) n s i d e r i n gt h es n u a t i o n o fo u rc o u n t r y ，w h o l ed e s i g no fe m b e d d e dh o m e c o n t io l1e rs y s t e ma i m sa td e v e l o p i n ga no w n k n o w l e d g ep r o p e r t ys t a n d a r d h o m ec o n t r o l l e rs y s t e m i tm a k e se f f o r t si nd e v e l o p i n gat a c t i cn e t w o r k s v s t e ma n ds t r u c t u r ew h o s em a j o ru s e r sa r ei n h a b it a n t so fv a r i o u ss o c i a l s f r a t a 摘要 t h i sp a p e ra p p l i e dt h em o s tp o p u l a rt e c h n o l o g i e si ni n f o r m a t i o na r e a s l i c ha sh f cb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ka n de m b e d d e ds y s t e mi n t ot h ed e s i g n o f _h o m ec o n t r 0 1 1 e r s y s t e m ， a n dc o n s t r u c t e dal o wc o s ta n d h i g h f u n c t i o n a l i t yd i g i t a lc o 唧u n i t ya p p l i c a t i o ns y s t e ma n ds t r u c t u r e ，w h i c h s a t i s f i e dt h eb a s i cr e a u i r e m e n t so fi n h a b i t a n t so fv a r i o u ss o c i a ls t r a t a t (t h er e s jd e n te n v ir o n m e n t s k e v w o r d s ： d i g i t a lc o 唧u n i t y ：e m b e d d e ds y s t e m ：b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k h o m ec o n t r 0 1l e r ： w b t 第1 章绪论 第1 章绪论 2 0 世纪6 0 年代以来，随着电子技术、计算机技术、通讯技术的高速发展， 人类的工作方式、生活方式发生了翻天覆地的变化。特别是计算机和计算机网络 的出现，不仅给人类的生活带来了极大的便利，而且实现了人类跨越时间和空间 的梦想。人们可以在家中购物、可以通过网络和远在异国他乡的亲朋好友见面、 可以在回家之前把空调打开、可以在家里浏览群书等等，这就是i t 新技术和传 统住宅相结合的产物数字化社区，带给人们的一种生活新理念。 1 1 数字化社区概述 2 0 世纪9 0 年代初，美国、欧洲等经济比较发达的国家先后提出了“智能住 宅”( s 眦r th o m e ) 的概念。其基本思想是：“将家庭中各种与信息相关的设备、 家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化系统 上，以进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施 与住宅环境的和谐及协调。”1 9 8 8 年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标 准，即家庭自动化系统与通信标准，也称之为家庭总线系统标准( h b s ，h o m e b u ss t a n d a r d ) 。 我国于1 9 9 4 年正式提出了小康家居的标准，该标准首次将家居的安全性提 到了重要的位置上。1 9 9 7 年初，开始制定小康住宅电气设计( 标准) 导则， 可以说，这个标准拉开了中国城市“住宅小区智能化”的序幕，深圳、广州、上 海、北京等城市相继建设了自己的示范小区。 1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心的演讲中提 出了“数字地球”的概念，又于同年9 月提出“数字化舒适社区的建设”即数字 城市的概念，世界上迅速掀起了这方面的研究，许多国家相继开始了“数字城市” 的示范和建设工作。我国对数字城市建设非常重视，由国家建设部主持的城市 规划、建设、管理与服务的数字化工程已经纳入国家“十五”重大科技攻关项 一1 一 北京工业大学工学硕士学位论文 目之中，数字城市试点工作于2 0 0 0 年就己经启动。 数字城市是指在城市规划建设与运营管理以及城市的生产与生活中，利用数 字化信息处理技术和网络通信技术，将城市的各种数字信息及各种信息资源加以 整合并充分利用。数字城市的建设包括两方面的含义，一是数字信息基础平台设 施的建设，即城市宽带网络、网络交换系统和计算机服务系统；另一方面是数据 信息建设，如“电子政务”、“电子商务”、“远程医疗”等等。数字社区是数字城 市的基本单元之一，社区中的居民活动可以产生大量的网络需求，使数字城市真 正运作起来。现在对数字社区还没有一个明确的定义，但它有明确的建设目标： 在未来数字化信息社会里，实现人类共同的跨越时间、空间限制的信息资源共享， 同时实现住宅的智能化功能服务和管理。 1 2 数字社区的组成 数字社区主要由四大部分组成：即数字社区管理信息系统、安防系统、家庭 智能管理系统和信息通信网络。 1 2 1 数字社区管理信息系统 数字社区管理信息系统主要涉及的有： 一 综合查询子系统：物业管理者可以方便地对分类信息进行查询、分析、 预测；住户可以通过私有口令查询三表、房租、卫生、购物等收费情 况以及家中各种电器的状态。 物业管理子系统：统一、高效、有序的物业管理系统可以节约大量的 人力、物力和财力，从而降低了管理费用。 一 收费子系统：主要包括三表、房租、停车、保安、卫生、有线电视等 收费。每计费月自动计算出相应付费额，从住户的预付费用上自动扣 除相应费用，同时以某种形式通知住户。 - 服务子系统：人们需要舒适的生活条件、完善的安全保障、多样的娱 一2 一 第l 章绪论 乐活动，主要包括家政服务、网上视频点播、网上商店、网上图二日馆、 网上互动电子游戏等增值服务。 1 2 2 社区安防系统 安全是居民对住宅小区的首要要求，数字社区安防系统担负着保护小区居民 生命和财产安全的职责。小区安防系统和家庭安防系统一同构成了智能小区三层 立体式防范体系：周边防范、出入口控制：保安监控、电子巡更；可视对讲、防 盗报警、紧急呼叫等。 1 2 3 家庭智能管理系统 家庭智能管理系统主要包括：自动抄表( 水、电、气三表) ，安全防范( 燃 气泄漏、非法入侵) ，家电控制等。家庭智能管理系统的核心家庭控制器系 统是本课题的研究核心。 1 2 4 数字社区信息通讯网络 数字社区的通信网络是智能化家庭、小区综合管理中心和外界广域网进行信 息交互的纽带。社区通信网络是数字社区最基本的投资项目之一，小区通信网络 的建设应充分考虑到不同住宅小区的实际情况，包括住宅小区的档次，所面向的 用户知识层次等等，不同档次的小区有不同的建设模式。一般说来，小区通信接 入网的建设可以通过两种方式来实现。 其一：是“充分利用现有家庭通信网络的资源，提升和完善现有接入网的技 术性能，以满足用户传输中、低速数据和图像的需求”。该方式的最大优点在于 一次性投入成本低，但后期的升级费用庞大。该方式以较低的成本、复杂的技术 来实现用户部分低速数据和图像传输的需求，而用户对高速数据和图像传输的需 求则需要通过技术更新和系统不断升级来实现。 其二：是控制网络和数据网络各自单独设网，高速度、高质量地完成控制信 一3 北京工业大学工学硕士学位论文 息和数据信息的传输和处理，在系统高度可靠的基础上留有一定的用户需求的发 展富余量。这种方式虽然比第一种方式具有较多的一次性投资，但运行期间不需 要较大设备和系统升级，很好地保护了用户的投资。 1 3 嵌入式系统 1 3 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的概念之一，然而到底什么 是嵌入式系统呢? 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。由于目前嵌入式系统 己经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业、消费电子等领域的应用范 围不断扩大，使得难以给出“嵌入式系统”一个明确的定义。根据i e e e ( 国际 电气：阳电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机 器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s t t h e ( p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以 定义晌，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，同时还可以涵盖了机 械等一些附属装置。 然而，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被 认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 从以下几个方面可以来理解国内对嵌入式系统的定义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用 相结合才会具有生命力、才更具有优势。可以这样理解上述三个方面 的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，具有很强的专用性，必 须结合实际系统需求进行合理的优化、裁减、利用。 _ 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个 行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术 一d 一 第1 章绪论 密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入 嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如p a l mo s 之所以在p d a 领域占有7 0 以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重 发展图形界面和多任务管理；而w i n dr i v e r 的v x w o r k s 之所以在火星 车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。 _ 嵌入式系统必须根据实际应用需求可对软、硬件进行优化、裁剪，满 足应用系统对功能、可靠性、成本、体积等方面的要求。所以，如果 能建立相对通用的软、硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的 系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一 个只有几k b 到几十k b 的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展 或者裁减，由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结 合在一起的向具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难给 它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上是指近些年来比较 热的具有操作系统的嵌入式系统。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：嵌入式微处理器、存储器、 输入输出( i 0 ) 接口和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都 是紧密结合的，在这里对其就不加以区分了，这也是嵌入式系统和基于d o s 系统、 w in d o w s 系统的最大区别) 。 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌人式系统具有以下几个重要特征： 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源 相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的 o s e 分布式系统，内核只有5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 _ 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合 一5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一 系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时 针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要 和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 - 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本， 同时也利于实现系统安全。 _ 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固 化存储，以提高速度和可靠性。 一 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌 入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为 了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口， 用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时操作 系统) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少 开发时间，保障软件质量。 - 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不 具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序 功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具 和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、 混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程 序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1 3 3 嵌入式系统的分类 嵌入式系统可分为由硬件和软件两大部分 1 嵌入式系统的硬件 各式各样的嵌入式处理器是嵌人式系统硬件中的最核心的部分。目前，世界 一6 一 第l 章绪论 上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都开始大 规模生产嵌入式处理器，其中从单片机、d s p 到s o c ，品种越来越多，速度越来 越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间也从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可以达到2 0 0 0m i p s 。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r 0 1 l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代末i n t e l 公司发布 的8 0 4 8 系列单片机到今天，虽然已经经过了2 0 多年的历史，但8 位的单片机目 前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用，尤其是5 1 系列单片机在国内应用 非常广泛。单片机芯片内部集成有r o m e p r o m f l a s h 、e 2 p r o m 、r a m 、总线逻辑、 定时计数器、看门狗、i o 接口、串行通讯接口、脉宽调制输出( p w m ) 、a d 、 d a 等各种必要功能和i o 接口电路。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大 特点是单片化，体积大大减小，从而降低了功耗和成本、提高了可靠性。微控制 器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上i o 资源一般比较丰富，适合 于控制，因此称为微控制器。 由于 f c u 低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代 表性的包括 l c s 一5 l 系列、m c s 一9 6 系列、p i c 系列、6 8 k 系列等等，目前m c u 占 嵌入式系统约7 0 的市场份额。 嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 。数字信号处理器) d s p 是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行 了恃殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 。频谱分 析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运算速度比m p u 快了几十倍，在语 音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步 与：殳展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都 得到了成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期， d s f 的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面 一7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌人式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器内核，具有较高的性能，价格也相应较高。但与计算机处理器不 同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除 其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 和工、止控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻。成本低、可靠性 高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有3 8 6 e x 、g x l 、p o w e rp c 、s t r o n ga r m 系列等。 _ 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域 的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器 片内嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运 用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设 计一样，绘制庞大复杂的电路板，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在 器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂 商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不 仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的 s o c 芯片，一举击退竞争者。s 0 c 芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻 辑等应用领域中发挥重要作用。 2 嵌入式系统的软件 软件方面，主要可以依据操作系统的类型划分。目前嵌入式系统的软件主要 有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实 时系统。 买时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。 其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时 一r 一 第l 章绪论 间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系 统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。 一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片， 而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。 1 4 课题的提出及研究的内容 现代生活，要为居民提供高度的安全性、舒适的生活环境、便利的通信方式 以及综合的信息服务。所以，在数字社区的数字家庭建设中，数字家庭既要支持 社区的安全系统、自动抄表系统等统一控制系统，也要为居民提供方便的通信接 口、易用的电器智能控制机制、简单明了的人机交互界面等等。未来的家庭生活 中，不仅家用电脑可以上网，家用电器随着数字化、网络化，家用电器也可以接 入到网络中，通过家庭控制器得以实现集中管理、控制。试想，当我们工作完准 备回家时，只要轻松地点几个按钮，家里的微波炉就会开始工作，为我们准备丰 盛的晚餐；在炎热的夏日，空调也将在我们到家前l o 分钟开启，把房间调整到 预想的温度：。通过本项目的家庭控制器系统即可把上述的梦想转变成现实。 整个项目以家庭控制器系统为基础的平台，以构造有序化网络体系为最终目 标。在统一和规范家庭控制器系统的基础上，逐步建立和健全有序化网络服务体 系。嵌入式家庭控制器系统作为基础平台，根据功能要求，主要由：网络接入装 置、数据采集装置和家庭控制器组成。 本项目研究的主要内容包括： 一 数字社区网络体系结构的研究； 一 家庭控制器系统体系结构的研究； 家庭控制器的硬件设计与实现； 一 掌握嵌入式操作系统定制的过程。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 本课题将当今计算机领域最炙手可热的嵌入式系统应用到数字化社区，必将 为城市建设、社区建设和家庭消费提供全方位、多元化、网络化、数字化、信息 化的服务和应用。由于数字社区项目在国内刚刚起步，本课题研究尚属于探索性 的项目。 1 0 第2 章数字社区网络体系结构 第2 章数字社区网络体系结构 为了给人们提供舒适方便的网络接入环境，数字社区住户可以通过家庭网络 系统，把家居内的相关设备连接到家庭控制器系统中，家庭控制器系统通过社区 宽带接入网与社区管理中心相连，实现整个社区的集中管理；同时将社区宽带接 入网的出口接入到数字城市的骨干网络线路上，使用户不仅可以方便地接收数字 社区、数字城市的信息服务，还可以自由接入国际互联网，方便地享用国际互联 网服务提供的便利。因此数字社区网络体系结构可分为：社区宽带接入网络系统 和家庭网络系统。 2 1 社区宽带接入网络系统 随着高速传输技术、高速交换技术、高速信息处理技术等的发展，整个通信 系统正向高速化、宽带化、数字化、个人化和智能化发展，过去的5 6 km o d e m 的 电话接入方式和l ob a s e t 的局域网的接入方式正向数字化的、高速的i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 、a d s l ( a s y i i l f n e t r i c d i g i t a ls u b s c r i b e r1 i n e ，不对称数字用户环路系统) 、h f c ( h y b r i df i b e r c o a x ， 光纤同轴混合网) 、光纤网等的接入方式发展。采用哪种接入方式将是数字社区 的首要问题。由于我国各个地区发展十分不均衡，因此高、中、低档的接入方式 将视不同的需要而有所区别。 接入网的市场是多种新旧技术共存竞争，多种传输手段共存竞争，多种传输 体制共存竞争的领域，可用的技术手段和技术方案五花八门。从研究市场的角度 看，可以将主要的技术选择归纳为下面5 类：纯双绞线铜缆接入网、光纤双绞 线铜缆混合网、光纤同轴电缆混合网、纯光纤网和无线接入网。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 纯双绞线铜缆接入网 全球现有几十亿公里的市话电缆，耗资数千亿美元，所以在有线接入技术中， 利用现有的铜线资源进行进一步开发是接入技术的一个重点。从总体上看，目前 的接入网仍然主要是铜缆接入网和模拟接入，携带的业务主要是电话业务。为了 充分利用这个巨大资源，人们提出了许多新的接入方式，最典型的是h d s l ( h i g h b “r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，高速数字用户环路接入系统) 和a d s l 。 1高速数字用户环路接入系统 利用4 电平脉幅调制基带线路编码( 2 8 1 q ，即连续2 个信息比特经2 8 1 q 编 码转换为1 个4 进制模拟脉冲幅值) ，采用高速自适应数字滤波技术消除传输线 路中的串音、脉冲噪声和波形噪声以及线路阻抗不匹配而产生的回波对信号的干 扰，征现有的市话电缆中2 对或3 对铜双绞线上，实现传输2 m b i t s 速率的数字 信号，无中继传输距离可达3 5 k m 。h d s l 可以充分利用现有的铜线资源进行扩 容，传输性能接近光纤用户线，误码率也较低，所以在一定程度上可以解决部分 用户对宽带信号的需求。该技术基本上不改变原设备，施工方便，可进行视频通 信、会议电话信号的传输。不足之处是不能传送速率高于2 m b i t s 的信息，且 当前普遍的用户只有一对电话线。另外传输距离也有限。 2 不对称数字用户环路系统( a d s l ) 采用离散传输编码和无载波调频、调相技术，在一对双绞线铜缆上用三条频 率分离的通道，提供6 m b i t s 甚至更高的速率的服务。这种方案充分利用了数 据通信和图像通信的不对称性，在一对铜线上传输不对称速率的交互型宽带业 务。下行信道速率为1 5 6 m b i t s ，上行信道为6 4 3 8 4 k b i t s ，传输距离约 为3 4 k m 。但目前a d s l 还有不成熟的地方，特别是国际上没有一个统一的技术 标准，而且费用也较高。 以上方法都是在现有的铜线基础上，为适应高速数据传输的要求，挖掘潜力 的一种过渡性手段，不是宽带接入网发展的主流方向。 1 2 ，。耋尘型堑鲨塑丝竖垒坠一 2 1 ，2 光纤双绞线铜缆混合网 这种混合方案结合应用铜缆和光纤，发挥各自特长，是目前最有希望的接入 网技术方案之。在提供新用户线方面，其经济性已经可以与纯双绞线铜缆相比。 传统的电话运营公司在修复一定规模的纯铜缆接入网时会越来越多地采用这种 方案，而新的竞争者则很可能会采用这种混合方案来提供新的用户线。诸如光纤 到路边( f t t c ：f i b e rt ot h ec u r b ) 和光纤到远端( f t t r ：f i b e rt ot h er e m o t e ) 都属于这种混合方案，未来的交换式数字图像( s d v ) 业务也是以这种方案为基 础的，可以认为这是铜缆网向未来的纯光纤接入网过渡的理想方案之一。特别是 由f t t c 与v d s l ( v e r yh i g hb i tr a t ed i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，超高速数字 用户环路系统) 相结合的方案提供了一种现实经济的宽带接入手段。 2 1 3 纯光纤网 随着宽带化和数字化要求的提高，光纤接入网以其巨大的带宽潜力、较远的 传输距离、良好的保密性、强抗干扰能力等特点，成为接入网的发展方向。根据 对光源的使用光接入网可分成有源光网( a o n ：a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和无源 光网( p o n ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，根据主干线路和分节点终端设备所在的 位置不同可分为光纤到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ：f i b e rt ot h eb u il d i n g ) 、 光纤到办公室( f t t o ：f i b e rt ot h eo f f i c e ) 、光纤到家( f t t h ：f 珀e rt ot h eh o m e ) 等多种接入方式。光纤接入的最终方式是f t t o 和f t t h 。 2 1 4 光纤同轴电缆混合网 光纤同轴电缆混合接入( h f c ) 是在有线电视( c a t v ：c a b l et e l e v i s i o n ) 的 基础上发展起来的。目的是为了充分利用原有的有线电视网。这种方法是主干线 及馈线用光纤传输，分支线或配线还用同轴电缆，并采用负载波调制技术和频分 复用方式传送信号。i t u t 已经规定了上、下行信号的频段划分。 一1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 因为同轴电缆的带宽可达1 g h z ，所以这种方式不仅能实现双向传输，而且 可传电话、数据、模拟广播电视、交互式图像等信号。它既能满足多种业务的传 输要求，又能充分利用现有的c a t v 网，的确是一种又经济、又现实的方案，可 能是全光纤接入网实现之前的一种最佳方案，目前也是宽带接入网的研究热点之 一o 在h f c 上利用c a b l e o d e m 进行数据传输，是解决宽带接入网的另一项热 门技术。 c a b l em o d e m 下行数据占用5 0 8 6 0m h z 之间的一个6 m h z 的频段。一 般采耳；i6 4 q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ：正交调幅) 调制方式，速率 可达4 0 m b s ：上行数据占用5 4 2 m h z 之间的一个6 m h z 的频段。为解决漏斗噪 声问题，一般采用抗噪声能力较强的q p s k ( q u a d r a t ep h a s es h i nk e y ：j e 交相 移键控) 调制方式，速率可达1 0 m b s 。c a b l em o d e m 系统在h f c 中的引人不影响 有线电视业务的正常传送。目前c a b l em o d e m 设备大多符合m c n s ( m u l t i m e d i a c a b l ( jn e t w o r ks y s t e m ，多媒体有线网络系统) 的标准d o c s i s l 1 ( d a t ao v e rc a b l e s e r v 】c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，有线传送数据接口规范) ，该标准正成为 i t u t j ，l1 2 国际标准。c a b l em o d e m 与其它接入技术相比存在可靠性低的问题。 另外，虽然我国同轴电缆人户率很高，但如果要引人c a b l em o d e m 系统，首先 要对现有的单向有线电视网进行双向改造，这里涉及的费用往往比较高。 2 1 5 无线接入网 无线方式是有线接入方式的补充。无线接入的特点是投资少、使用灵活、维 护费用低和运营成本低，易于拆装和重新利用。适用距离较远且分散的用户区和 有线系统未接到的地方。无线接入的方式也很多，主要有无线本地用户环路接入、 本地多点分配业务和卫星接入等，需要指出的是，现在无线应用协议( w i r e l e s s a p p l ic a ti o np r o t o c o l ，w a p ) 将移动电话与互联网结合，应用日趋广泛。 1 无线本地环路技术 w ：。l ( w i r e l e s si nt h el o c a l l o o p ，无线本地环路系统) 是一种提供基本 1 4 第2 章数字社区网络体系结构 电话业务的数字无线接入系统，也是目前应用最广泛的一种无线接入技术。采用 无线本地环路的接入方式很多，有频分多址( f d 【a ：f r e q u e n c y d i v i s i o n m l j l t i d l ea c c e s s ) 、时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和码分 多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等。无线本地环路的特点是以无 线方式为传输媒介向用户提供固定终端用户或移动有限的终端用户，适合于边远 地区、不直铺设光缆的地区、城市新的居民区应急通信和小范围需移动的用户。 2 本地多点分配业务技术 l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，本地多点分配业务) 技术 是在2 0 4 0 g h z 频率范围内应用的宽带无线接入技术，具有点对多点的特点。 l m d s 采用一种类似蜂窝的b b a 区结构，将一个需要提供业务的地区划分为若干 服务区，每个服务区内设基站，基站通过广播方式把数据传送到多个用户单元， 多个用户能共享带宽。l m d s 在无线信道上使用a t m 技术，动态分配带宽，其可 用频谱往往达l g h z 以上。在晴天时，每个基站的覆盖范围约是3 5 k m 半径的圆。 l m d s 系统作为一个多业务网络的接入系统，可以为用户提供i n t e r n e t 、i p p h o n e 、语音、图像、信元中继和侦中继等服务。l i d s 可以为不同的用户提供多 业务服务，根据用户的大小，可以选择不同的方式组建网络。l m d s 系统还为用 户集中的写字楼和公寓提供了方便快捷的多业务服务，解决了大楼和公寓无光纤 的数据通讯问题。问时l m d s 的建设具有投资小，维护方便、安装迅速等特点， 成为宽带接入网的一种新选择。 3 卫星接入技术 随着新技术的不断发展，利用卫星通信来构建接入网已成为一种发展方向。 卫星接入的技术主要有卫星直播系统( d b s ) 和利用甚小口径卫星系统( v a s t ) 的d i r e c tt op c 系统。d b s 技术通过利用同步轨道卫星以大功率信号覆盖地面， 向用户提供实用m p e g 标准的视频点播( v o d ) 、非对称的i n t e r n e t 接入和付费电 视( p p v ) 等业务。d b s 技术具有结构灵活、组网迅速等特点，同时，d b s 技术不 受地理位置限制，较好地弥补了地面线路铺设存在的延时和不完整性。此外，无 线接入技术还有多通道多点分配业务( 删d s ：m u l t i c h a n n e lm u l t i d o i n t 一】5 一 北京： 业大学工学硕士学位论文 d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) 、综合光纤无线混合系统( h f w ：h y b r i df i b e r w i r e l e s s ) 以及实现无缝全球通信的个人通信系统( p c s ：p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 等等。 2 2 家庭网络系统 国际上对家庭网络技术的研究开始与2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发达国家， 如美国、日本、德国、英国、法国和新加坡等；我国对家庭网络的研究刚刚开始。 目前这些研究基本上都是在各国国内独立进行，或者是由公司之间合作完成， 还没苜形成最终统一的标准。其中比较重要的有下述几个系统： e i a r s 一4 8 5 ：美国电子工业协会e i a 定义的平衡传输方式的串行通信协议； j 。o n w o r k s ：美国e c h e l o n 公司的智能控制网络系统： 1 1 0 m e p n a ：电话线组网h o m e p n a 组织( h o m ep h o n e l i n en e t w o r k i n g a l l i a n c e ) 制定了在现有电话线上实现家庭网络的标准； i e e e 8 0 2 1 l 系列：i e e e 定义的无线局域网w l a n 协议； f o m e r f ：家庭无线网； b l u e t 0 0 t h 蓝牙：由爱立信、i b m 、i n t e l 、诺基亚和东芝五大公司共同发起 制订的一种通用的无线接口标准； 这些系统之间互不兼容，各有优缺点。就构造家庭网络而言，这六种技术可 以划分成三类：家庭智能控制系统、家庭电话线组网技术以及家庭无