（计算机应用技术专业论文）数字家庭网络关键技术研究.pdf

数字家庭网络关键技术研究 数字家庭网络关键技术研究 s o m ek e yt e c h n o l o g i e si nd i g i t a lh o m en e t w o r k 流动站( 一级学科) 名称让篡扭型堂皇撞苤 专业( - - 级学科) 名称让篡狃廑用遮苤 研究工作起始时间2 0 0 8 年4 月1 3 日 研究工作期满时间2 0 1 0 年4 月11e l 中山大学信息科学与技术学院 2 0 1 0 年4 月 2 数字家庭网络关键技术研究 内容摘要 数字家庭是个与时俱进的概念，具有保持在线、智能控制、服务交付等特征。随着信息技 术的不断发展，数字家庭所涵盖的内容也在不断变化。研究数字家庭实现过程中的关键技术具 有一定的学术价值和重要的产业发展意义。本文在广泛学习和分析国内外数字家庭相关技术发 展的基础上，针对家庭网络联网技术和网关技术进行了研究和分析，提出了一些符合我国国情 的数字家庭网络的思路和概要设计。 本文分析了我国当前数字家庭的应用现状，总结了数字家庭网络的一些关键特征和技术要 求，对比分析了各种技术体制的有缺点，提出了以电力线载波为主，辅以无线网络的家庭网络 建设方案，并对家庭内部的多计算机、多电视机、多电话机、移动手机、家用电器等多种业务 平台的网络需求进行了分析。 本文分析了在家庭网络基础上实施服务交付的技术要求，提出了系列面向数字家庭网络的 服务交付平台的家庭网关设计方案。服务交付需要统一安全身份管理和认证，本文结合服务交 付平台提出了一种多业务接入的安全验证方法。 网络管理是网络建设必不可少的组成部分。本文在分析数字家庭网络系统的可管理性层次 模型的基础上，分别提出了实现数字家庭网络管理所需要的远程管理和内部管理的技术要求， 并探讨了可能的实现方案。 关键词：家庭网络、电力线载波p l c 、服务交付、网络安全、网络管理 3 数字家庭网络关键技术研究 a b s t r a c t d i g i t a lh o m ei sad e v e l o p i n gc o n c e p t a l o n gw i t ht h et h eb o o mi nt h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o ni nd i g i t a lh o m ei sf a s t m o v i n g a f t e re x t e n s i v es t u d y i n ga n d a n g l i c i z i n gt h ed e v e l o p m e n ta b o a r di nd i g i t a lh o m ea r e a ，a n dr e s e a r c h i n gt h ec o n n e c t i n g t e c h n o l o g ya n dg a t e w a yt e c h n o l o g y ，w ep r o p o s es o m ec o n c e p t u a ls o l u t i o no fd i g i t a lh o m e n e t w o r k w ea n a l y z et h ec u r r e n ts t a t u so fd i g i t a lh o m ea p p l i c a t i o n si no u rc o u n t r y ，s u m m a r i z e s o m eo ft h ek e yd i g i t a lh o m en e t w o r k i n gf e a t u r e sa n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t si nt h i sp a p e r a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y z i n go ft h ev a r i o u st e c h n i c a ls y s t e m sh a v ed r a w b a c k s ，w ep u t f o r w a r dt h ep o w e rl i n ec a r r i e r ，s u p p l e m e n t e db yw i r e l e s sh o m en e t w o r kb u i l d i n gs o l u t i o n b a s e d0 1 3t h en e t w o r kc o n n e c t i n g ，av a r i e t yo fb u s i n e s sp l a t f o r m sw i t h i nt h ef a m i l yw e r e a n a l y z e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t st oi m p l e m e n tt h es e r v i c ed e l i v e r yb a s e d o nh o m en e t w o r k w em a d eas e r i e so fh o m eg a t e w a yd e s i g nf o rt h ed i g i t a lh o m en e t w o r k s e r v i c ed e l i v e r yp l a t f o r m s e r v i c ed e l i v e r yn e e d su n i f i e ds e c u r i t yi d e n t i t ym a n a g e m e n ta n d a u t h e n t i c a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sam u l t i s e r v i c ea c c e s s ，s e c u r ea u t h e n t i c a t i o nm e t h o d n e t w o r km a n a g e m e n ti sa ne s s e n t i a lh o m en e t w o r k i n gc o m p o n e n t t h i s p a p e r a n a l y z e st h eh i e r a r c h i c a lm o d e lf o rd i g i t a lh o m en e t w o r ks y s t e mm a n a g e m e n t w e p r o p o s e dt h ed i g i t a lh o m en e t w o r km a n a g e m e n tn e e d so fr e m o t em a n a g e m e n ta n di n t e r n a l m a n a g e m e n to ft h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt oe x p l o r et h ep o s s i b l ei m p l e m e n t a t i o n s k e y w o r d s ：h o m en e t w o r k ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，s e r v i c ed e l i v e r y ，n e t w o r ks e c u r i t y 。 n e t w o r km a n a g e m e n t 4 数字家庭网络关键技术研究 目次 内容摘要3 a b s t r a c t 4 第l 章前言8 1 1 研究背景8 1 1 1 数字家庭的概念8 1 1 2 数字家庭的接入网络11 1 1 3 数字家庭的家庭网络1 9 1 2 国内外相关研究2 3 1 3 家庭网络的标准组织2 5 1 4 国家数字家庭应用示范产业基地3 1 第2 章家庭网络的技术体制3 3 2 1 家庭网络形态3 3 2 2 基于电力线通信技术的家庭网络3 5 2 2 1 用p l c 实现家庭网络需解决的问题3 5 2 - 2 2p l c 相关的规范3 6 2 3 无线与有线结合的家庭网络技术体制一4 0 2 3 1 无线与有线的互补性4 0 2 3 2p l c 作为家庭网络总线4 1 2 3 3 电力线的信号特征4 3 2 3 4 多层次的扩展家庭网络4 8 第3 章基于家庭网络的多业务平台5 0 5 数字家庭网络关键技术研究 3 1 家庭网络的业务系统5 0 3 1 1 计算机平台的考虑5 0 3 1 2 电视机平台的考虑5 1 3 1 3 电话机平台的考虑5 3 3 1 4 移动手机平台的考虑5 4 3 1 5 家用电器平台的考虑5 6 3 1 6 支持各种业务平台之间的互动5 8 3 2家庭网络的带宽需求5 8 3 2 1 互联网访问的带宽需求5 9 3 2 2 家庭内部共享需要的带宽6 0 3 2 3 电视信号的带宽6 1 3 2 4 未压缩的高清信号传输带宽需求6 1 3 2 5 家庭网络应用场景6 2 第4 章家庭网络网关与服务交付6 4 4 1 服务交付的发展趋势6 4 4 2 服务交付对家庭网关的要求6 5 4 2 1 家庭网关硬件设计6 5 4 2 2 基于数字电视机顶盒的家庭网关设计6 8 4 2 3 家庭网关上的软件需求7 1 4 3 运营商的服务交付平台7 5 4 4 面向服务交付的安全验证7 8 第5 章家庭网络的可管理性8 4 5 1 家庭网络的管理问题8 4 6 数字家庭网络关键技术研究 5 1 1 系统管理模型8 4 5 1 2 家庭网络管理的层次8 6 5 1 3 网络安全管理问题8 7 5 2 家庭网络设备的远程管理8 8 5 2 1c w m p 协议栈8 8 5 2 2 交互会话的流程9 0 5 3 基于家庭网关的内部网络管理一9 1 5 4 家庭网络的综合测试一9 4 5 4 1 设备测试9 4 5 4 2 网络测试9 5 5 4 3 测试工具9 6 第6 章结语9 7 6 1 主要贡献9 7 6 2 后续工作。9 7 致谢9 9 主要成果1 0 0 参考文献10 1 7 数字家庭网络关键技术研究 第1 章前言 数字家庭是围绕数字电视、宽带网络及i p t v 、数字化音视频等新兴产业 为特色的技术内容集合【1 】。数字家庭产业具有高融合性、高附加值的显著特 点，产业链各环节涉及了从内容创意到软件、硬件再到电信、互联网、广播电 视服务等信息产业的许多方面。数字家庭的实现仍在不断发展中，研究数字家 庭实现过程中的关键技术具有一定的学术价值和重要的产业价值。本章对数字 家庭向研究背景、研究现状和国家数字家庭应用示范产业基地的相关推动工作 进行了介绍。 1 1 研究背景 广东省积极推进“数字家庭 行动计划，为我国数字家庭产业发展开创了 一种从高清互动数字电视到三网融合家庭网络，再到普适计算数字生活的岭南 模式，中山大学积极参与其中。本文的研究内容主要是针对家庭网络发展阶段 ( 第二发展阶段) 。 1 1 1 数字家庭的概念 数字家庭是个与时俱进的概念，产业界对数字家庭有不同的理解。随着技 术的不断发展，数字家庭所涵盖的内容也在不断变化。 国际数字集团i d g 关于数字家庭的定义是：“数字家庭是利用通信、电 视和计算机等数字技术，把家庭中的各种通信设备、计算机设备、电视设备和 安防设备等，通过家庭网络连接在一起，进行监视、控制和管理的智能家庭网 络。 英特尔认为数字家庭是：“充分利用信息和网络技术，通过家庭网络实现 家庭内部的互联互通，进而实现家庭与社会的互联互通，使家庭成员通过各种 电子终端设备方便获取信息和社会服务，提升家庭生活品质。” 8 数字家庭网络关键技术研究 这些不同的定义可以看作是数字家庭技术发展中的一些参考【2 】。总结产 业现状和学术界目前的研究热点中，我们认为，典型的数字家庭应用应该具有 以下几个特征： 1 ) 保持在线 保持在线的家庭a o h ( a l w a y so n l i n eh o m e ) 。数字家庭的一个重要特 征是互联网接入家庭。在互联网接入的基础上，数字家庭还应该具有保持在线 的特征。只有在保持在线的情况下，才能实现通过家庭设备对外部信息访问的 透明和便利，才能保证从其他场合随时对家庭内部设备的访问和控制。 保持在线的家庭网络，应该实现： a ) 网络接入的便利性和可管理性； b ) 典型设备的低耗节能。 2 ) 智能控制 图1 1 保持在线的家庭网络 智能控制的家庭i c h ( i n t e l l i g e n tc o n t r o lh o m e ) 。数字家庭能够利用数 字化技术，对家庭环境以及家庭电子设备进行智能感知和控制。智能控制不仅 仅表现在人对设备的掌控，还包括传感器对家庭环境和行为的监控和优化。 9 数字家庭网络关键技术研究 图1 2 智能控制的家庭 智能控制的家庭网络是物联网技术在家庭环境的典型应用，需要实现： a ) 数据采集和设备控制的便捷性； b ) 设备之间的互联互通和联动。 3 ) 服务交付 服务交付的家庭s d h ( s e r v i c ed e l i v e r yh o m e ) 。数字家庭的重要特征， 还表现在实现与外界进行数字化交互，向家庭提供娱乐内容、社会服务、家居 安全等综合职能系统。这些服务一般由运营商提供，需要服务平台、信息安全、 管理等技术的支持。 1 0 数字家庭网络关键技术研究 。 娱乐休闻 电子商务 信息获取 沟通、遁话 远程医疗教育等 个性需求 安全 图1 3 服务交付的家庭 服务交付的家庭网络，需要实现： a ) 家庭用户服务权限的方便确认和单点登录； b ) 服务内容的方便扩展。 1 1 2 数字家庭的接入网络 1 ) 从f t t b 到f t t h o 节能 商务服务 f t t b 是当前宽带网络部署的重要实施方案，然而随着宽带业务的发展， 用户对带宽的需求将超越f 广r b 的网络能力，f 1 一r h 是宽带网络发展的终极目 标 7 1 - 7 2 。 f 1 一r h ( f i b e rt ot h eh o m e ) ，顾名思义就是一根光纤直接到家庭。具体 说，f t t h 是指将光网络单元( o n u ) 安装在住家用户或企业用户处，是光接 入系列中除f r 1 i d ( 光纤到桌面) 外最靠近用户的光接入网应用类型。 盖t 数字家庭网络关键技术研究 f 1 t h 属于接入网部分。接入网就是市话局或远端模块到用户之间的部 分，主要完成复用和传输功能，一般不含交换功能。在历史上，这部分又称为 本地环路或用户环路。按照i t u - t 的定义，f 1 广r h 就是光纤到达住户的门口， 在端局和住户之间没有铜线，美国的f c c 对f t t h 中的“h ”定义了新的含 义，“h 既包括狭义上的家庭，也包括小型商业机构。综合以上两种定义， f 广r h 定义：f 1 - r h 是以光纤为传输媒介，为家庭、小型商业机构等终端用户 提供接入到电信端局的服务，并具有信息复用解复用功能。 f t t h 的显著技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格 式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维 护和安装。 光纤到户( f i b e r t ot h eh o m p f t t h ) 接入技术作为未来最终的、一 劳永逸的宽带接入解决方案，在日本和美国已得到广泛应用，在我国也得到 了越来越多的关注。阻碍我国f t t h 发展的最大障碍是投资成本过高。确选 择适合我国国情f 1 丌h 的接入技术，开发低成本f 1 一r h 接入设备是发展f t t h 的关键。 历史上曾经出现过很多f t t x ，包括f t t p ( 光纤到驻地) 、f 1 _ r b ( 光纤 到大楼) 、f t t c ( 光纤到路边) 、f t t n ( 光纤到邻里) 、f t t f ( 光纤到 楼层) 、f t t z ( 光纤到小区) 、f t t o ( 光纤到办公室) 等。f 丌p 、f t t f 、 f t t o 、f 一r n 等都应该属于f t t h 的范畴。 基于现有网络的现状和通信技术，目前用户宽带接入方式主要有以下几 种：基于现有固定电话线路的x d s l ( 数字用户线路) 技术、基于现有有线电 视线路( h f c ) 的c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 技术、以太网接入技术、 电力线上网( p l c ) 接入方式及宽带固定无线( l m d s ) 接入方式等。由于以 上几种接入方式不同，因此用户负担的成本不同，提供的服务内容也不同。 2 ) 基于e o c 接入方式 1 2 数字家庭网络关键技术研究 在宽带数据业务领域，有线电视公司通过对传统有线电视网( h f c 网) 进行改造，不仅可以提供原来的有线电视业务，而且可以提供话音、数据以及 其它数字多媒体信息业务【9 1 1 。由于广电部门拥有跟电话线一样走进千家万户 的同轴电缆网络，通过技术改造，广电部门一样可以给用户提供宽带的接入， 而且它本身是为传送视频图像而布线的同轴电缆，就电缆本身来说，它可以传 送的带宽比电信的铜线电缆提供的带宽要宽得多，在城市有线电视光缆和同轴 电缆混合网( h f c ) 上，使用电缆调制解调器c a b l em o d e m 进行数据传输构 成宽带接入网。使用h f c 接入方式的主要缺点有： a ) h f c 网在光纤部分多采用星型网，电缆部分采用树型结构，较适合有 线电视传输，但不适合宽带高速综合业务网。信息网对可靠性要求高，综合信 息网一旦出现问题，如不能及时修复，可能会给用户带来无法弥补的损失。 b ) 在电缆分配网的传输通道中，有源器件和无源器件过多，放大器、电 缆接头过多，降低了系统传输的可靠性。 c ) 由于采用树型结构，带宽虽然宽，但它在树型连接的主干部分必须实 行带宽共享，在技术上是共享网络，这就意味着用户要共享带宽，即使在理想 状态下，有线电视网只相当于一个1 0 m b i t s 的共享式总线型以太网络，当末 端的用户数量增大时，网络的性能将急剧下降，而且在这种方式下，同一电缆 的所有用户都可以收到相同的数据信号，它的安全性能不强。 d ) 从长远来看，h f c 的速率的进一步提高无潜力，对于今后用户要求 1 0 0 m b i t ，s 或1 0 0 0 m b i t s 接入不能满足，同时c a b l em o d e m 的价格较高。 e ) 在有线电视网中，接入采用模拟频分多路复用技术，而主干网络和交 换机为数字技术，需数模转换，数据来自不同数据源，同步、网管和信令技术 难度大；有线电视网普遍没有使用网络自动化管理功能，网络管理系统需要突 破； 3 ) f t t x + l a n 接入方式 1 3 数字家庭网络关键技术研究 以太网是目前最为广泛的局域网络传输方式，它采用基带传输，通过双绞 线和传输设备实现1o m 1o o m 10 0 0 m 的网络传输。基于以太网技术的宽带接 入网完全可以应用在公网环境中，为用户提供标准以太网接口，能够兼容所有 带标准以太网接1 3 的终端，用户不需要另配任何其他接口卡或协议软件，因而 它是一种廉价的宽带接入技术。目前最具潜力的宽带以太网接入方式是骨干网 光纤到楼或社区，即f 丌x + l a n 接入方式。f t t x + l a n 是一种基于优化光纤 网络技术的宽带接入方式，垂直干缆采用光纤。采用光纤到大楼或社区、以太 网入户的方式实现用户的宽带接入。以太网技术成熟，成本低，结构简单，稳 定性和扩充性好，便于网络升级，目前水平布线使用非屏蔽五类双绞线，5 类 网络线缆本身就具备较好的抗干扰性和稳定性，可以在一定程度上满足带宽分 配及某些q o s 的要求，它的带宽可以达到1o o m b i t s 。以太网在每一个社区 或每一个楼宇中形成自己的小规模星型网络结构，彼此间通过骨干网络连接， 在逻辑结构上并无相互依赖关系，因此相互之间影响较小，单一节点的故障不 会影响整个社区的宽带网络。对于一个家庭来说完全可以满足今后数十年的升 级要求。 以太网的缺点是敷设成本较高，必须在用户集中的区域才能确保接入的低 廉成本，布线电缆不能够太长。 4 ) x d s l 接入方式 铜线接入以现有的电话线为传输媒介，利用各种先进的调制技术和数字信 号处理技术，来提高铜线的传输速率和距离。铜线双绞线的宽带接入方案主要 有h d s l ( 高数据速率数字用户路) 、a d s l ( t e - 对称数字用户环路) 和v d s l ( 甚 高数据速率数字用户环路) 等，统称x d s l 。但是铜线的传输带宽有限，铜线接 入方式的传输速率和传输距离一直是一对难以调和的矛盾。其中a d s l 最适 合家庭用户。 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a lt r a n s c e i v e rs u b s c r i b e rl i n e ) 在传统电话网的 用户线路上支持不对称的传输模式。所谓不对称的模式是指其上行( 从用户到 1 4 数字家庭网络关键技术研究 局端) 和下行( 从局端到用户) 速率不对称，在有效传输距离3 5 公里范围以内， a d s l 在一对铜线上支持上行速率6 4 0 k b p 到i m b p s ，下行速率1m b p s 到8 m b p s 的高速率传输，解决了发生在网络服务供应商和最终用户问的“最后一 公里”的传输瓶颈问题。如果配置了分离音频频带的分离器( s p l i t t e r ) ，则可同 时提供电话和高速数据业务，特别适用于下行数据量很大的业务，如视频点播 ( v o d ) 等。由于它利用了传统的、已大量铺设的电话线，而且将非对称的传输 特点与i n t e m e t 浏览的下行数据多、上行数据少的特点相结合，因此被认为是 新一代i n t e r n e t 接入的热门候选。 a d s l 技术缺点也十分明显，a d s l 的速率受线路长度和线路质量的影响 较大，电话线经常是在5 0 对1 0 0 对的大对数u t p 中传输，由于电缆不同线 路信号之间的相互串扰以及线路质量都对其有影响，a d s l 楼外也使用非屏蔽 双绞线，对天气干扰( 如雷击，下雨等) 抗扰能力较差，带宽可扩展潜力不大。 这种质量较差的基础成为制约a d s l 发展的主要障碍。 5 ) 电线上网接入p l c 方式 目前一种通过电力线就可以上网的新上网方式正进入宽带市场。电线上网 的准确名称是电力线通信技术，简称p l c ，是指利用电力线传输数据和话音 信号的一种通信方式。电力线高速数据通信实际上利用目前已有的宽带骨干和 城域网，使用特殊的转换设备，将因特网运营商提供的宽带网络中的信息信号 接入小区局端电力线，用户电脑只要通过电力调制解调器连接到室内日用交流 电源插座即可上网。电源线路因其成本低廉、分布广泛一直被认为是传输互联 网数据的理想线路，它能为用户提供高速的传输速率，信息传送速度可达到 l o m b i t s ；能够将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起 可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备， 同时也将促进信息家电的发展与应用。 利用电力线上网，其优点在于： a ) 成本低。对运营商而言，由于利用电力线上网，直接使用现有的电力 网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基 1 5 数字家庭网络关键技术研究 础网络上的投资。对用户而言，通过电力线上网，无需通过电话线，相对减少 了通话费用，且享受到价格低廉的互联网接入服务。 b ) 无所不在的电力线网络是此技术的优势。电力线是最基础的网络，它 的规模之大，是其它网络所无法比拟的，运营商可以轻松地将网络接入服务渗 透到每一个家庭。这种技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的发展， 并为互联网普及带来极大的发展空间。 但它的缺点也很明显： a ) 电力线上网存在着不稳定和不安全的问题。由于每一个家庭的用电量 不同，用电负荷也不断发生变化，电压的变化会影响上网质量。家庭电器产生 的电磁波会对信息的传输产生干扰，还会影响短波收音机的信息接收等。 b ) 电表衰减问题。电力线上网通过变压器和电表的能力很弱，需要对传 统电表进行更换，这在实际的工程实施中十分困难。 c ) 运营许可问题。电信公司和技术公司对此技术热情不高，主要涉及到 如何获得电信业务经营许可证、如何选择合作伙伴并与之建立起供求双赢的赢 利模式、费用问题等。因此，电力线接入上网仍然处于小规模的试验阶段。 6 ) 无线覆盖接入方式 小区固定宽带无线接入技术日益成熟，基于它的可移动性，它将是宽带网 发展到高级阶段时，是实现个人通信的主要接入方式。在不具备本地网络资源 的情况下，要进入和占领接入市场，采用宽带无线接入技术是一个比较合适的 切入点宽带无线接入( b w a ) 是一个大家族。其中，m m d s ( 本地多点分配 接入系统) 、l m d s ( 多点多信道分布式系统) 等技术和产品都获得了一定范 围的应用。 尽管l m d s 可以提供15 5 m b i t s 的接入速率，可靠性较高，应用前景一度 被看好，但是l m d s 的推广也存在问题：关键技术正在试验；要求无遮挡视 1 6 数7 家庭网络关键技术研究 距传输，枢纽站置于1 5 m , - - - , , 2 0 m 高处，不方便应用；雨衰大，受降雨影响明 显；我国未正式确定l m d s 的工作频段与技术规范，存在很大的技术与政策 风险。 从技术发展的趋势可以看出，以o f d m + m l m o 为核心的无线通信技术将 成为未来无线通信发展的主流方向。全球移动无线技术的演进路径主要有三 个：一是w c d m a 和t d s c d m a ，均从h s p a 演进至h s p a + ，进而到l t e ： 二是c d m a 2 0 0 0 沿着e v d o r e v 0 r e v n r e v b ，最终到u m b ；三是 8 0 2 1 6 m 的w i m a x 路线。其中l t e 拥有最多的支持者，w i m a x 次之。 由于移动设备的不断增加，无线接入的广泛应用是不可避免的，无线宽带 接入会成为家庭接入网络的一种选择。在无线宽带需求不断增加，以及移动通 信技术不断进步的情况下，l t e 未来将会具有广阔的应用前景。 表1 1 面向家庭网络的宽带接入技术对比 物理介质技术体系优势不足未来发展运营方 光纤到户分为g p o n 稳定的 目前成本是国际上一致广电和电信 和e p o n 等对称带高看好的发展方都在朝这个 f t t h 多种技术标宽向，目标努力 准在同步发 展 传输距 离远 可承载 多业务 光纤到楼 e o c 又根据 利用现 各种带宽更高效率得使广电 + 同轴缆 在同轴缆上 有广电 利用技术 用同轴带宽 f t t b + e 多种不同的的网络 还在不断 o c 贷款利用和资源发展，尚 调制方式分未稳定 为m o c a 、 已有成 功部署传输距离 b i o c 等 经验 受限 1 7 数字家庭网络关键技术研究 光纤到楼直接用以太 技术比 传输距离针对地址问集中居住区 + 五类线网入户 较成熟 受限题，可能会逐有采用( 如校 局域网 步过渡到i p v 6园) p c 宽 现有覆盖 的应用 f t t b + l带接入少 a n 方便 交换机 设备普 及 双绞线入在电话双绞 覆盖面a d s l 带进一步提到双仍将足未来 户线上调制数广 宽不足， 绞线上承载的 几年电信行 f t t x + a 据信号v d s l 技带宽业的主流方 v d s l d s l ，v d s 术仍在验式 最大下 l 证中 行速率 可达 上下行带 5 5 m b p 宽不对称 s 光纤到楼在电力线上 布线方 信号干扰 理论值可 + 电力线承载信号，便较大，实 以达到 入户 国际上现行际带宽 2 0 0 m b p s 有 4 f t t x + p l 新的研发 c h o m e p l u g 7 m b p s ， 和u p a 标准不足以支 重点仍是 撑高清业 提高信号 的稳定性， 务 降低设备 电力猫成成本 本高 无线覆盖用 避免布 设备需要8 0 2 1 1 n w i m a x l t e 线无线模块可以支持 等技术实现更高带宽 居民区的覆 信号的穿 透性和稳w i m a x 技 盖 定性不足术并没有 像预期的 w 雨带宽 1 8 数字家庭网络关键技术研究 1 1 3 数字家庭的家庭网络 建设数字家庭需要建设一种合理的家庭内部网络系统。数字家庭的娱乐、 服务、控制、交互等功能，建立在家庭网络的基础之上。尽管家庭网络和家庭 的接入网络息息相关，但是如何更好地实现家庭内部网络才是本文研究的重点 内容。 1 ) 屏蔽双绞线 就业界与业者的观点来看，家庭不太适合使用以太网络，敷设以太网络需 要对跨接线、屏蔽双绞线、集线器、交换器等有所了解，对一般大众的家庭而 言这是相当技术的细节，一时片刻难以了解，且只为了一次敷设需要去了解此 一方面的技术知识，并不合算。 再者，绝大多数的家庭建筑在设计与施工时都没有考量到以太网络的敷设 需要，同时也不会预留以太网络的布线空间，所以家庭若要敷设以太网络， 肯定只能沿著墙缘来钉布，即便如何低调也都是很显眼，有碍观瞻。因此家庭 需要更简单敷设、更无形运用的区域网络。 2 ) 电话线 电话线的技术规范主要是h o m e p n a ( 1 9 9 8 年的1 0 版) 。h o m e p n a 初期的发展并不顺利，原因是只有1m b p s 的传输率，1m b p s 对于同时分享频 宽与分享打印是不够的，不过h o m e p n a1 o 最长的串接距离达15 0 米，最 多可以连接2 5 个装置。nth o m e p n a2 0 将速率提升到10 m b p s ，达到了 真正实用的水平。 1 9 数字家庭网络关键技术研究 尽管h o m e p n a3 0 相关表现都有提升，最大装置连接数增至5 0 个，连 接长度增至3 0 0 米，但许多观察家认为h o m e p n a 推展有限的原因是：每户 家庭平均只有2 2 个电话孔座，此不足以实现家庭网络。 3 ) 电力线 尽管电力线在接入方面存在较大缺陷，但如果利用电力线将整个家庭的电 器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，则具 有更高的可行性。今后，随着能上网的电视机和冰箱等数字家电的普及，需要 大幅度地增加接入端口，家庭和办公室利用已有的万能插接板，通过电力线路 高速接入互联网就能解决这个问题。 4 ) 同轴电缆 包括m o c a 、b i o c 等技术，都有考虑在家庭内部部署网络的实现方式， 其依赖于同轴电缆在家庭内部的部署情况。实现比较方便，但是推广仍然碰到 一定的问题。 5 ) 无线 在现有家庭网络的使用中，w i f i 已经无可争议的成为应用最多的宽带连 接网络。 表1 2 家庭内部网络技术对比 媒 技术技术特点应用特点主要组织 质 1 速率最高为10 0 m b p s 2 距离可以达到1 0 0 m 性能稳定，在各类 五以太网 类 ( 8 0 2 3 3 支持优先级、v l a n 等 数据终端中应用广 i e e e8 0 2 3 线 ) 泛，但一般需要在 4 最多支持的端点数没有限 家中重新布线 制，但一般应用中为最多为几 十个 数宁家庭嘲络关键技术研究 利用家庭中原有电 h o m e 1 速率最高为1 0 m b p s 话线。 p h o n e l i n e h o m e 2 距离可以达到3 0 0 m但对于多媒体应用 p n a 2 o 速率偏低 n e t w o r k 3 支持一定的q o s 能力 实际使用较少 a l l i a n c e 电 h o m e 话 p h o n e l i n e 线 h o m e 利用家庭中原有电 p n a 3 0 1 速率最高为1 2 8 m b p s 话线产品较少 n e t w o r k i n g a l l i a n c e 利用家中的电力线 h o m e p l u g h o m e p l 1 速率最高1 4 m b p s 路 p o w e r l i n e u g 2 距离可以达到3 0 0 m受电网用电环境影 响较大 a l l i a n c e 电 1 只支持低速的控制信号的 力 传送 已经成功应用在很 线x 1 0 2 一个网络中最多有2 5 6 个 多家庭自动控制产 品，主要是灯光， 设备地址 开关等 3 相邻家庭存在干扰 1 速率同8 0 2 11 a b i g 速率 8 0 2 1 1 为l l m b p s 到5 4 m b d s可以与w l a n 混 0 v e r 2 电缆传播环境比较稳定 合组网技术尚未推 c o a x广开，很少应用 3 方便穿透墙壁 同 如果不能与w l a n 轴 h o m e c 精密配合，则应用 电 n a 1 使用专有的协议和收发器 缆 上受制于电缆插头 ( m o c a 2 速率可以达1 0 0 m 的位置 ) 新方案，没有应用 2 1 数字家庭网络关键技术研究 w i r e l e s s1 速率为l i m 到5 4 m b p s 发展良好，用户增 长迅速但安全、 i e e e 8 0 2 11 a ， 2 受墙壁材质等衰减影响较 q o s 等问题尚未 8 0 2 1 1 b g 大 解决 1 速率可高达几百m b p s 两个标准阵营相持 i e e e 2 距离一般在几米到1 0 米不下于其他无线设 u w b 备的频谱兼容问题 8 0 2 1 5 3 3 占用很大的宽带，但功率 尚无定论o f d m 联盟 无 谱密度很低 线 1 低速率( 约1 0 0 k b p s ) 的 z i g b e e ( 无线方案 目前已有多款芯片 i e e e 8 0 2 1 5 4 ) 2 主要用于自动控制、键盘 出现 8 0 2 1 5 4 鼠标等 1 速率有1 0 0 m 2 0 0 m 4 0 0 m 8 0 0 m 等 目前大多数数码摄 i e e e 2 目前距离为几米到十几米 像机支持该接口、 1 3 9 4 计算机、数码照相 ( f i r e 3 支持同步和异步传送模 机、移动硬盘等设 i e e e1 3 9 4 其 w i r e ) 式，可保证a v 流的优先 备有支持该接口的 他 级 趋势 4 一般只用于几个节点 表1 3 从方便性、速率和传输距离三个方面的指标对当前主要的几种家庭 联网技术进行简要比较。 表1 3 家庭内部网络技术对比简表 技术方便性速率距离( 穿透性) 以太网低两长 h o m e p n a中低中 p l c 中上高 长 数字家庭网络关键技术研究 c a b l e 技术低高长 w l a n 高中短 1 2 国内外相关研究 数字家庭并不是一个全新的研究领域。所包罗的技术领域十分广泛。 随着宽带接入业务、智能家电等电子产品的普及以及用户对家庭电子产品 的监控和资源共享需求的上升，数字家庭网络的概念和应用受到电信运营业和 i t 、家电产业的关注。数字家庭网络是指通过家庭网关将公共网络功能和应用 延伸到家庭，并以有线网络或无线网络连接各种信息终端( 如家电、p c 等) ， 提供语音、数据、多媒体、控制和管理等功能，达到信息在家庭内部终端之间 及其与外部公网的充分流通和共享。从用户的角度来看，通过数字家庭网络可 以享受以下服务：上网、l p 电话、v o d 点播、基于a s p 的海量存储和个性 化的信息服务、互动的娱乐游戏、远程网络上的家庭控制和安全服务管理等。 家庭网络中一个很关键的部分是家庭网关。家庭网关是整个家庭网络与外 部网络发生联系的桥梁，也是数字家庭各种业务和应用的关键，它可以从不同 的外部网络接收通信信号，通过家庭网络传递信号给某个设备。在一个家庭网 络中，通过家庭内部的有线或无线网络，各类终端互联并与家庭网关相连，实 现家庭网络各信息终端设备和智能家电设备的方便联网，提供自动发现和配置 功能。 从全球的发展情况看，数字家庭网络目前在各地方其实是以不同的业务重 点来向用户推广的。 从全球的发展情况看，目前在各地方其实是以不同的业务重点来向用户推 广的。数字家庭网络联网技术也是各种技术规格并举的局面。而家庭网关与运 营商业务结合紧密。 数字家庭网络关键技术研究 美国的数字家庭网络完全是在运营商提供融合业务的大背景下推动的。 根据p a r k s 的调查，美国的家用网络中目前最多的是采用w i 。f i 技术 ( 5 3 ) ，其次是有线以太网络技术( 2 8 ) 。m o c a 技术只占市场的10 ，剩余 的市场占有率则包括电力线( 8 ) 和h p n a ( 1 ) 。 夔凋墩疲湔主流瞵掰矗武 i i 1 f i m b c a 渤i - m m e p n ai 以灰网 i 嗽力援 1 8 l 羽 嬲 5 ， 图1 3 ：美国目前家庭联网的主流方式 美国运营商v e r i z o n 是同轴电缆网络领域的翘楚之一，该公司已经在其光 纤到家( f t t h ) 服务中，出货大约3 0 0 万个m o c a 节点设备。为v e r i z o n 提供 机上盒的摩托罗拉( m o t o r o l a ) 也呼吁推动更大频宽的网络技术：“m o c a 可以 为家庭中提供一个g b 级的网络信道。 m o c a 的成员认为，美国的家庭里 同轴电缆的普及率高达7 0 ，整个基础设施十分完整，加上同轴电缆传输多 媒体视频资料的技术已经相当成熟稳定，适合利用它来传输多媒体视频资料。 摩托罗拉也为另一家网络通讯业者a t t ，提供采用家用电话线网络联盟 ( h p n a ) 技术的机顶盒，应用于i p t v 服务。另外，摩托罗拉也于2 0 0 8 年为欧 洲与加拿大的网络业者提供了采用h o m e p l u ga v 电力线技术的机顶盒，i e e e 1 9 0 1 小组的电力线网络标准也是一种家庭网络选择。 在欧洲，和全球其他地区一样，w - f j 是家庭中普及、成长最快的联网技 术。无线家庭网的缺点在稳定性，容易受到干扰与安全窃截。另外p l c 在欧 洲应用也比较多。家庭网络的网关平台是以互动电视为核心的m h p ( 多媒