（计算机应用技术专业论文）未来无线通信与家庭网.pdf

未来无线通信与家庭网 攘鬟 本文是探讨未来无线通信及其在家庭网的应用的个开发项圈。 主器内容为第三代移动通信系统和无线局域网的探讨和研究以及探 讨两者如何结合的问题，在此鏊础上探讨了一种新型的家庭网构建方 寨，以及作为家庭瓣方案中一个重要工作瑟l p 电话麓设计。 第三代移动邋信和w l a n 是獭前无线通信的两大热门。前者正处于 建设前夕，用来作为第二代移动通信的更新。后者得到许多应用，但 还在迅速发展，推出新的速率更高的标准。蜂窝网的优势在于采沼全 匿覆菱懿鳃决方寨，电傣级懿网络。对予w l a n ，其优势跫传输码率 较离，建网经济，将两者的结合，将w l a n 作为蜂窝网的接入补充， 能够充分发挥无线网络的优势，有重要的经济和应用意义。 随着丽络在家庭的普及，网络应糟的需求会越来越来广泛，包括 娱乐、通信、监捺、信怒、计算等会成为人们的基常需要。网终家庭 办公，随精社会的发展也会变得越来越迫切。这里，我们提出的家庭 网怒一种新颖的网络平台，它完成家庭互联网和家庭控制丽的功能， 将家庭互联网与家庭控制网集成为一体，同时在更离的层次上增加了 一些更加方便、更加实用的新功能，以适合家庭或中小企业用于连接、 控制和管疆计算机、电话通讯和娱乐设备、家用电器及监控系统。它 是集成信息、娱乐、通信、诗算、监控等多釉功能为一体的网络。我 们开发的家庭网命名为智能信息系统( s m a r t i n f o r m a t i o ns y s t e m ， s i s ) 。它整一耪平台，适合家庭或中小型企遭中弓l 爝。s i s 的接强是 基于扁域网的，采用无线技术，以解决室内布线的困难。s i s 主要由 数攥通信、电话通信、多媒体通信、家庭电器的管瑶和家庭签控系统 四大部分构成，其具体功能有安全服务、能源管理、数据通信服务、 家庭环境控制和各种智能监控。 论文最后介缁了家庭丽中一个部分i p 电话的部分设计，从芯片 的选择、硬件的设计到电路的设计进行了详细的介缨。 关键词：家庭网无限局域阀3 gi p 电话 i i w i r e l e s sc o a 心h 价h c a t i o na n d 醚。划蓖n 基t w o r k a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tad e v e l o p m e n ti t e mo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h e 是t h f ca n di t sa p p l i c a t i o ni nt h eh o m en e t w o r k i tm a i n l yc o n c e r n ss t u d ya n d p r o b i n g i n t ot h ep r o b l e mo fh o wt oc o m b i n et h et h i r dg e n e r a t i o no f m o b i l eg o m m l l n i c a t i o n s y s t e ma n dw i r e l e s sl a n t op r o b ei n t o o n en e w - t y p eh o m en e t w o r ks t r u c t u r e s c h e m e ，m i dt h e nd e s c r i b ed e s i g no fp h o n eo v e ri pr e g a r d i n go n ei m p o r t a n tj o ba s h o m en e t w o r ki nt h es c h e m e t h ot h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dw l a na r et w o m a j o r c r a z e so f p r e s e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d t h ef o r m e ri su s e df o rb e i n g r e g a r d e da st h er e n e w a lo f t h es e c o n dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o g l yb e f o r ec o n s t r u c t i o n t h el a t t e rg e t sal o to fa p p l i c a t i o n ，d e v e l o p sr a p i d l y ，a n d a l s o i n t r o d u c e sn e w h i g hs p e e ds t a n d a r d 弛ea d v a n t a g e o ft h eh o n e y c o m bn e t w o r k l i e si na d o p t i n gt h es o l u t i o nc o v e r e di na l la l l - r o u n dw a y , t h en e t w o r ko fg r a d eo f l te 】e c o m m u n j c a t i o n s t h e a d v a n t a g e s o fw l a na r e t r a n s m i t t i n g r a t ei s r e l a t i v e l yh i 醣，i t i s e c o n o m i c a lt ob u i l dn e t w o r k s w i t hw l a na st h es u p p l e m e n to ft h e3 g ，i t g i v e s f u l l p l a yt oa d v a n t a g eo fw i r e l e s sn e t w o r k , i ti ss i g n i f i c a n ti n t h es e n s eo fb o t h e c o n o m y a n d a p p l i c a t i o n w i t ht h e p o p u l a r i t yi n h o m en e t w o r k ，i ti se x t e n s i v et h a tt h ed e m a n do f n e t w o r k a p p l i c a t i o n w i l lb e c o m e l a r g e r a n d l a r g e r , i n c l u d i n g e n t e r t a i n m e n t ， c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l l i n g ，i n f o r m a t i o n ，c a l c u l a t i o n ，e r e n e t w o r kb e c o m e st h e n e c e s s i t yo fc o m m o np e o p l ei nt h e i rd a i l yl i f e 。h a n d l i n go f f i c i a l b u s i n e s sw i t h i n f a m i l yc a nb e c o m em o r ea n dm o r eu r g e n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y h e r e ，t h e h o m en e t w o r kt h a tw ep u tf o r w a r di sak i n do fn o v e ln e t w o r kp l a t f o r m ，i tf i n i s h e s f a m i l y si n t e m e ta n df a m i l y sc o n t r o l l i n gt h ef u n c t i o no f t h en e t w o r k ，c o n t r o l sf a m i l y 1 l i i n t e m e ta n df a m i l yn e t w o r k a sa no r g a n i cs y s t e m ，i ti n c r e a s e ss o m e n e w ，p r a c t i c a l a n dc o n v e n i e n tf u n c t i o na th i g hl e v e la tt h es a m et i m et oi n t e g r a t e ，t os u i tf a m i l yo r s m a l la n dm e d i u m s i z e de n t e r p r i s e st oc o n n e c t ，c o n t r o la n d m a n a g ec o m p u t e r ， t e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o na n de n t e r t a i n m e n te q u i p m e n t ，h o u s e h o l da p p l i a n c e sa n d m o n i t o r i n gs y s t e m t ou s ef o ri t i t i n t e g r a t e s i n f o r m a t i o n ，e n t e r t a i n m e n t ， c o m m u n i c a t i o n ，c a l c u l a t i o n n e t w o r ka sa no r g a n i cs y s t e m t h eh o m en e t w o r k t h a tw ed e v e l o p e di sn a m e dt h ei n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ( s m a r ti n f o r m a t i o n s y s t e m s i s ) 。i ti s ak i n do f p l a t f o r m ，s u i t st h ef a m i l yo rq u o t e si nt h es m a l la n d m e d i u m s i z e de n t e r p r i s e s i n t e r f a c eo fs i sa d o p t sw i r e l e s st e c h n o l o g y , i no r d e rt o s o l v et h e d i f f i c u l t y o fi n d o o r w i r i n g s i s i sf o r m e db yd a t ac o m m u n i c a t i o n ， t e l e p h o i 2 ec o m m u n i c a t i o n ，m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，t h em a n a g e m e n t o f t h ef a m i l y e l e c t r i ca p p a r a t u s ，i t sc o n c r e t ef u n c t i o nh a ss e c u r i t ys e r v i c e ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ， d a t ac o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，e n v i r o n m e n tc o n t r o l l i n ga n dv a r i o u sk i n d so f i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g o f f a m i l y t h ep a p e rf i n a l l yr e c o m m e n d sd e s i g no ft e l e p h o n eo v e ri pr e g a r d i n go n ep a r t a sh o m en e t w o r k ，i n t r o d u c e st h ed e t a i l e do n ef r o mt h ec h o i c eo f t h ec h i p ，d e s i g no f t h eh a r d w a r et ot h ed e s i g no f t h ec i r c u i t k e yw o r d s ：h o m en e t w o r k t e l e p h o n e o v e ri pw l a n 始8 0 0 7 0 独创性( 戚创新性) 声明 本太声明所呈交滟论文怒本天在导师搐导下遘 亍麓研究工作及取缮静研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其谴久已经发表躐撰写遘静骚究戏采，雹不包含为获褥j t 京都电太学或英纯 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 褥贾黻均已在论文中 乍了弱确懿澄翳莠表示了滋意。 申请学位论文与预料若有不实之处 本天签名： 本人承担一切相关舞任。 昆麓： 关于论文使用授权的说明 学位论文终者完全了解j 京郎毫大学有关缳壁秘傻愚学谴论文躲麓定，躲： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 罄并囱国家煮关部门戴枧构送交论文驰复印 拳和磁盘，允谗学位论文被查潮耪氆 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在鳃密后遵守此援定) 保密论文注释：本学位论文属予保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不疆于镰密范尉，适用本授权书。 本人签名； 毋师签名： 翻期： 日期： 北京邮电大学硕士研究生举位论文 1 移动邋信的灞革 1 + 移魂潦倍的起潦 第一章序畜 亭圭会篱要牵动辩按发蒺；秘鼓发展捺避社会辫要。移镄遥售麴最早缓建霹这 溯到1 9 2 1 年。当时在警率中使用频带为2 m h z 的移动电话。在1 9 3 3 年出现了双 囊移动遣话系统，频繁也是2 m h z 。1 9 4 6 年，b e l l t e l e p h o n el a b o r a t o r yf b t l ) 在 美国圣路易斯市建设了第一个公用移动电话系统，是单工系统，频带为 3 5 4 0 m h z 。1 5 0 m h z 熬ll 壤道系统秘4 5 0 m h z 豹1 2 傣道系统分剐在1 9 5 5 和 1 9 5 6 年投入使用。这些系统都采用人工接续。谯以后年代开发了自动接续的移 动电话系统。这个输段的移动电话系统的特点是蒺站的覆盏面大，达到几十公里 的点径；采用模拟技术：移动终端体积较大。 出予移动老活的用户旦渐扩大，移动电话系统的容爨不敷应用，蜂窝系统得 到采用，移动电话进入一个新时代。 1 2 蜂窝移动透信 在1 9 4 5 ，全焚蓍萑爰1 8 0 0 0 鸯穆 湖台。此后，用户数量几乎达到每5 年增热2 继豹速率。由予爨求增大， 邋种大区覆盖的系统，其容量无法满 足薅户鬟簧。1 9 7 1 年b e l l 提出空中 网的蜂窝结构。这种结构就是将大区 爝六边形划分成许多小嚣，每个小区 有其自己的基站，并与其小区内的移 旗终端构成空中链路，如图l 一1 掰示。 圈中各个基站邋过移动交换中心与 核心网棚互连接，以便为移动终端与 其他移渤终端，黻及固愆电话丽等互 辫1 - 1 分区结构 联。从此移动通信进入蜂窝移动通信系统的新时代。最昂使用蜂窝结构的是先进 移动电话监务( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) ，簿称a m p s 。它在1 9 8 3 年在 荧国芝加哥开始正式由美国电话电报公糊( a t t ) 运行。在此同时，其他国家 龟纷纷獠赉鸯己豹移动魄话系统。这登系统莽j j 羲予模掇逶信系绕，英系统夔频瀵 效率较低，系统容量受剁限制。例如，a m p s 系统的频谱效率为o 3 3b s h z 。采 一l - 北京邮电大学硕士研究生学位论文 用蜂窝分区的关键技术是空中网的频率规划以降低同信道干扰的抑制、越区切换 以便用户跨越小区后仍能保持通话。 模拟移动电话系统的频谱效率较低，其容量仍嫌不足，推进了数字蜂窝系统 的发展。现在移动系统的主流是g s m 和c d m a ，般称为第二代移动通信。 1 3 第二代移动通信 鉴于第一代移动电话系统的缺点，为了提高频谱效率，改进漫游性能，在 2 0 世纪8 0 年代欧洲首先制定了统一的数字移动通信系统标准，称为全球移动系 统( g l o b a ls y s t e m f o r m o b i l e ) ，此标准获得国际所承认。按此标准开发的系统简 称g s m 。由于采用语音压缩、数字调制和时分复用，它的频谱效率约为a m p s 的五倍。稍后，美国研发了基于c d m a 的移动系统标准i s 9 5 。它具有比g s m 更高的频谱效率。 g s m 和i s 9 5 这两个标准是所谓第二代( 2 g ) 移动通信系统的主要标志， 与第一代相比，第二代有着空前的飞跃。它的功能强大，除语音以外还可发短消 息；移动站小而轻，可放口袋中；由于采用广泛，可以全球漫游。g s m 和i s 一9 5 系统几乎占有了全球的数字移动系统的绝大部分份额。尤其是g s m 几乎占有 5 0 的移动用户。 现在，2 g 系统还在发展，进入2 5 g 的阶段。其主要标志是采用变速率技术， 进一步提高频谱效率；具有数据业务，可达到1 0 0 2 0 0 k b s ，便于无线上网，并 且具有较高的数据速率。这些发展的目标是延长第二代的服务时间。 1 4 第三代移动通信 不管怎样，当前移动通信正跨入3 g 时代。3 g 称为宽带c d m a ( w i d e b a n d c d m a w c d m a ) ，按原来设想，其关键目标是慢速移动时频带可达2 m h z ，快 速时可达3 8 4 k b s ，且具有更高的频谱效率，可灵活引入新业务。考虑到第三代 的信道频带、传输技术和电视频带压缩技术等的限制，第三代系统尚不能满足多 媒体业务的需要，但跨进了很大的一步。其具体研制遵循在第二代基础上演进的 思路进行。至今，3 g 系统的标准还在不断更新，新技术不断提出，特别是往i p 的轨道上迈进。因为目前的技术表明，采用i p 技术是解决提供综合业务的最佳 方案。 1 5 无线局域网( w ir e i e s sl o c a ia r e an e t w o r k w l a n ) 局域j 跚j - t 计算机联网。1 9 7 1 年，夏威夷大学的a l o h a n e t 课题首次将 。2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 网络技术与无线通信技术结合，使分散在4 个岛上的7 个校园的计算机用无线与 中心计算机通信。a l o h a n e t 采用星型拓扑、有中心结构。远程计算机与中心 提供双向数据通信：远程计算机之间通过中心计算机相互通信。 上世纪8 0 年代，美国和加拿大的业余无线电爱好者和无线电报务员设计了 终端节点控制器，将计算机与无线电收发报机连接，如图1 2 所示。终端节点控 制器犹如m o d e m ，连接计算机与收发报机的接口。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 授权普通用户可以使用工业、科举、 医学( i n d u s t r y ，s c i e n c e ，m e d i c i n e ， i s m ) 频段，使无限局域网向商业化推进。 无需审批的i s m 频段的确定给无限局域网的发展提供了重要条件。 图1 2 无线分组网框图 1 9 9 7 年i e e e8 0 2 1 1 工作组制定了第一个8 0 2 1 1 标准，以后陆续完成了系列 标准。与蜂窝系统发展的同时，无线局域网借助其技术，从移动计算这个角度得 到很大发展。在美国提出了8 0 2 1 1 标准的同时，欧洲提出了h i p e r l a n 。 无线局域网的发展前景非常看好。主要是它使用灵活方便。 16 蜂窝网与无线局域网的融合 蜂窝网与局域网的融合引起通信界的兴趣。各种的融合架构纷纷提出。这是 下一代移动通信的发展趋向1 2 论文选题的意义 论文题目是未来无线通信和家庭网。 现在，通信的两个热门课题是：未来的无线通信和i p 网。家庭网的架构是 基于蜂窝技术与无线局域网技术的融合。下面加以说明。 2 1 第三代蜂窝网 由于第二代数字蜂窝移动通信系统满足了移动中打电话的需要，获得巨大的 市场，导致用户的迅猛增加，不仅系统容量发生瓶颈现象，而且引起人们对通信 ，3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 业务的多样性要求与日俱蹭。所阻渐一代的移动通信系统，即第三代乃至第四代 移动通信系统的研究和开发成为邋信领域个新的研究热点。为了满足更多更高 速率的业务以及高频谱效率的要求，一个世界住的标准“涞来公褥陆地移韵电话 系统( p l m t s ) ”应运而生。1 9 9 5 年它更名为国际移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 。 i m t + 2 0 0 0 支持的系统被称为第三代移动遴信系统，简称3 0 。3 g 将支持速率高 达2 m b i t s 的业务，业务种类包括语音、数据、图像以及多媒体等业务。3 g 的标 准一壹在不断演避，不瑟滋行咎订鞫扩充。 在此同时，2 g 系统也在不断推出新的功能，如上网、照相和语音拨号等， 以及提毒佟输这率。 在3 g 尚未正式部署皮用之前，新一代系统的研究就在一刻不停地稳步推进。 这墨套一羧援大鹣力量，攫动着系统兹磷究无法停顿。这是嚣么力量? 主要是 3 g 系统的信道速率尚不足以解决电视的传输，达不到完仝的多媒体应用，如电 裰戆点撂。 显然，现在3 g 在2 g 和4 g 的夹攻之中。因此有一种呼声：3 g 会不会得不 到宠全雄行的封枧，就遭遇渲宾夺主之争。 2 ，2 无线舄域网 计算机，主要是微机( 或称电脑) ，愈来愈普及到家庭。这是技术进步推动 市场发展游必然络票。 微机技术的发展带来两方面的好处；1 ) 增加功能；2 ) 降低成本。增加功能 方蘑最突出翡是徽掇与音像系统缝合，兼肖传统锾辊襄毫褪啻嚼设备翡秘毵。在 此同时，微机的成本反而大幅度下降。功能和价格这两者是互动的，所以现在微 棍注徐魄大疆度上舅，枣滋发爨遨速。 微机的发展推动了计算机通信的需求。微机只要构成网络，可以极大地发挥 英售息处疆豹藏力：数据瓣存姥熬力；文传豹绩遂毙力；鄹薅遁继能力蛰等。露 尚而形象地说，徽机犹如“电脑”，而微机网可以构成一个电脑的集合和虚拟社 会。现在，t n t e m e t 获终了全球的搓广，鞭在扮演羞这个建色的起步。考虑到它 谯综合业务的应梢，加上它的成本低廉，基于i p 的网络技术至少现在被认为是 发展的方向。它馒传统遥信网柱形见拙，太有代蛰后者之势。例如v o l p 的应用， 由于节省用户的通话费用，获得用户的欢迎，特嬲是打长度电话，几乎凭有不用 p 电话的。 随之而来，为了解决澄后l 公里的撩入网，精域网、a d s l 、电缆m o d e m 锋宽带局域网相继进入用户，其中无线局域网( w l a n ) 、无线a d s l 等等是最 灵活的一种技术，应用越来越广，随着穗身的避步和标獠的发袋，w l a n 被熏 新定义为因特网光线接入技术，它的作用不再局限于有线网络的补充和发展，己 4 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 经成为计算机网络的一个重要组成部分。被广泛应用于办公室、酒店、飞机场、 咖啡屋、商场等公共热点场所，以及小区的接入网。无线局域网很好地把移动技 术和因特网结合起来，移动i n t e m e t 技术已逐渐渗透到人们生活中。无线局域网 技术使网络用户摆脱网线的束缚，实现了真正意义上的移动互联。 w l a n 的优势，还在于：建设是由点到面，投资效率高；获得i t 界和电信 界两方面厂商的支持：具有快速上网的能力，满足广大i n t e m e t 用户的上网需求； 适用于综合业务；提供了一种投资小而灵活的接入手段等。并且，由于i p 电话 的发展，w l a n 的应用可以覆盖传统电话的领域。但是w l a n 的劣势也是明显 的，如覆盖范围较小，不易做到全面覆盖，不支持高速移动等。 从无线局域网技术发展来看，w l a n 的标准8 0 2 “b 目前传输速度可达到 1 1m b i t s ，而8 0 2 1 1 9 传输速率将达到5 4 m b i t s 。 2 3 蜂窝网与无线局域网的结台 3 g 的优势在于在2 g 基础上进行演进，采用全面覆盖的解决方案，电信级网 络架构。其鉴权计费机制完善，可以全球漫游，而且支持高速移动。而3 g 的劣势 是带宽受限制，数据速率尚不足以满足综合业务的要求，3 g 技术尚处于实验阶 段，不够成熟，同时其业务具有滞后性，内容和应用匮乏，一下很难建立起可以 盈利的3 g 运营模式。 现在2 g 网的改善和提高，其实起到推迟实行3 g 的日标。例如手机短信，照 相等业务的火爆冲淡了人们对3 g 的热情。事实上，3 g 的投资巨大，面临2 g 和 w l a n 的夹击，如何实施需要周详考虑，以求最佳效果，才不至于经营亏损。 较之有线局域网，如以太网、令牌网，无线局域网有不少优点，可以节省大 量时间和金钱。与蜂窝网比，它的优点有：建网过程由局部到整体，有很大的灵 活性，便于按需发展，节省建设的投资；它的带宽，它的运行成本都有不可小看 的优势；其投资可以分散进行。这些都是蜂窝系统所不及的。 一 不仅如此，移动终端具有广泛的多样性。例如，出门时用户的通信需要与在 家时就不同：出门需要功能集于一身的便携式终端，各项单个性能可以差一些； 在家则相反，需要性能优良，但功能不必集于一身的终端，可以采用多个终端方 式，也不定要小型化。何况，家庭对终端功能的要求可以是完全不同类型的， 如常规的通信，控制信息，告警信息等。这些多样性的要求不可能集中一个“手 机”来解决，采用多个“手机”也不经济，势必考虑采用局域网技术。这种组网 技术称为家庭网技术，用于广泛意义的“家庭”。显然，综合业务的移动终端是 多种多样的，不是当前甚至相当长时期的手机所能包含的。 考虑到一般人有8 0 的时间待在室内，结合室内的w l a n ，移动终端可在w l a n 覆盖的区域获得w l a n 的速率。而在其他室外广阔区域获得3 g 的速率，也就是 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 说终端用户可以在8 0 的时间内获得w l a n 的速率，2 0 的时间内获得3 g 的速 率。所以两者的结合能够充分发挥无线网络的潜力，利用w l a n 的高接入数据速 率的特点，同时考虑到移动通信覆盖范围宽的特点，两者互相融合是必然趋势， 前景非常广阔。 将蜂窝网与w l a n 结合，取长补短，是当前通信界应该考虑的一个思路。如 何结合，从各个角度出发，已经获得很多学者的兴趣。 2 4 家庭网 为什么要家庭网? 家庭网是什么样的? 家庭网的作用有多种意义：家庭网是一个象征性名词，是指那些家庭、办公 室、小型娱乐场所等小范围空间应用的网络；用户终端大量是在定的空间内应 用，如在家庭、办公室、休闲场所等固定设施内，或在车、船、飞机等运动设施 内。适应这种通信的网从广义看就是属于小范围的专用网，称之为家庭网( h o m e n e t w o r k ) 。特别是，随着宽带接入技术的迅速发展，在家庭和办公室中，人们可 以享受到越来越多的互联网服务，这是家庭网的宗旨和发展基础。 微机应用的普及以及各种信息家电( i a ：i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 的产生 使得家庭网的作用不再局限于p c ，还涉及家庭信息化的各个方面。这种专用型 家庭网，麻雀虽小，却五脏俱全，看似容易实现，其实有很多问题需要解决。每 个家庭和办公室都将面临着如何在内部传送互联网多媒体宽带业务，以及如何将 家庭和各种信息家电连接起来进行管理和监控的问题。由此，一种新的网络和新 的概念，即家庭网络应运而生。 我们研究的家庭网将其命名为多功能信息系统( m u l f i f u n c t i o ni n f o r m a t i o n s y s t e m ，m i s ) 。它是一种平台，适合家庭或中小型企业中连接、控制和管理p c 计算机、通讯和娱乐设备、家电及监控系统等，集信息、娱乐、通信、计算、监 控等多种功能为一体的网络。如上所述，考虑到局域网的普及。s i s 的接口是基 于局域网的，采用无线技术，毗解决室内布线的困难。 3 多功能信息系统( m u l t i f u n c t i o n ln f o r m a t i o ns y s t e m ) a d s l 、c a b l em o d e m 和l a n 等宽带接入技术的迅速发展，使家庭网的实现成 为可能。 家庭网络技术是指包括可以扩展至整幢住宅、整个社区在内的家庭范畴里将 个人电脑、家用电器、三表( 水表、电表、煤气表) 、照明系统、安全报警系统 与计算机广域网相连接的一种新技术。目前，真正的智能家庭生活至少需要三种 网络的支持：宽带互联网、家庭互联网和家庭控制网络。其中，宽带互联网接入 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 _ _ 一 是家庭对外通信的桥梁；家庭互联网是连接家庭内部的相关终端，并与互联网能 连接的网络；家庭控制网络则是用于家电和家用设备的控制。 家庭网络应提供视听娱乐的功能、沟通功能、设备的操作与控制功能、及家 庭安全防护功能等。然而，不论是大量的信息流或简单的控制信息，要达到连接的 统一，信号间的相互流通，就必须将家用设备连结成网络的型态。 家庭网络构建原则是：使用方便、安装简单、不需额外布线。因此，只有无 线或利用电力线、电话线和电视电缆的技术才比较符合家庭的要求。但目前看来 这些利用电力线的技术，如h o m e p l u g 都存在着接入设备昂贵、技术成熟度不够 的难题。而利用电话线的技术，也面临家庭的电话插头少，接入产品不能芯片化， 支持厂商少等问题，推广起来还有一定难度。至于电视电缆更是困难重重。所以， 无线技术在现有技术中是首选。在无线方面，目前主要有三种技术：i e e e 8 0 2 1 1 或h i p e r l a n 、h o m e r f 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术。 现在，用户设备分别属于电话网、局域网、有线电视网，效率低，应用不方 便，无法智能化。特别是不能适应因特网发展的需要。新型家庭网涵盖了数据通 信、电话通信、多媒体通信、家用电器的管理和安全监控等四个系统，其具体功 能有安全服务、能源管理、数据通信服务、环境控制和各种智能监控，集用户交 换机、局域网和监控网与一身。 在中国，家庭网的研究尚处在起步阶段，随着网络在家庭的普及，网络应用在 家庭的需求会越来越来广泛，包括娱乐、通信、监控、信息、计算等会成为人们 的需求。网络家庭办公随着社会的发展和社会形势的要求也变得越来越迫切。在 这种情况下，我选择了构建家庭网的题目。 这里，我们提 一一 出的家庭网是一 鸸 种新颖的网络平尉 一 台，称为多功能信m 一1 9 电话 “、 鬟戮f 熹b 设i 岁 霪磊未曼黧霎l 匡口一，卜一一，l ；控制网的功能，并1 匿薹l j，一- 7 ； 将家庭互联网与 ，络管理器司l 。 家庭控制网结合 计算费蟪掣 成一体，同时在更 、一， 高的层次上，增加 图卜3m i s 架构 更加实用的一些新功能。适合家庭或中小型企业用于连接、控制和管理计算机、 7 - 1目篁量普翻 一 一 滞氍i璐肿一 鸽南 一f 北京邮电大学硕士研究生学位论文 电话和通信设施、娱乐设备、家用电器及监控系统。它是集成信息、娱乐、通信、 计算、监控等多种功能为一体的网络。考虑到将来局域网宽带接入的广泛普及， 家庭网的网络接1 2 1 端是基于局域网实现的，但考虑到目前应用的普及，也可以接 八公众电话网的接口。 家庭网采用无线技术。采用无线技术的好处是： 1 避免室内布线的困难，特别在旧建筑，为避免影响室内装修，布线十分 困难： 2 终端布局灵活可变，可以随需要而变动设置位置： 3 终端可移动； 4 不需庞大的预期投资，对周围环境影响小，投资风险小。 由于射频技术的进步，射频系统的成本降低，采用无线技术己得到社会的承认。 设计m i s 时考虑其基本功能有： 1 在家庭网内终端可以直接通信；对外可以通过接入点连接核心网进行通 信。 2 兼容通信、测量( 遥感) 和控制三种功能。 3 具有更新、程序管理的能力。 4 成本问题。 4 s 终端 上一节已经说明，m i s 基本上由数据通信、电话通信、多媒体通信、家庭电 器的管理和家庭监控系统四大部分构成，其具体功能有安全服务、能源管理、数 据通信服务、家庭环境控制和各种智能监控。m i s 有终端和接入点( a c c e s sp o i n t ， a p ) 组成，如图1 3 所示。显然，终端系统是家庭网的重要组成部分，其成员 i d l s 终端 低速数据语音高速数据 l1|l 环境量li 开关量liz r 电话ll 无辇网li 鼍蓑 图1 - 4m i s 终端系统 - 8 - 北京邮电大学硕士研究生学位论文 有各种终端设备，见图1 - 4 。m i s 系统的终端设备可分下列种类： 1 通用无线网卡，实现无线上网； 2 i p 电话，实现网络语声通信； 3 慢速数据，如静止图片传输、家用电器的控制，实现家庭监控： 4 快速数据，如新闻和娱乐电视、d v d 、会议电视、网上文件下载、网上 游戏等； 5 系统集成化携带式智能家庭网，即将全部功能集成为一个便携式终端。 在这些终端中，关键的是：无线网卡、i p 电话、视频系统和系统集成化携带式 智能家庭网。 i p 电话框图见图1 。5 。系统集成化携带式智能家庭网取决于系统集成技术， 在现阶段有不完全的初级系统，如加强的p d a 等。 图1 - 5i p 电话的框图 无线网卡已经有商品出售，但价格较高，不易为我国市场所接受。至于无线 i p 电话，由于传统无绳电话已经很普及，影响了它的短期利益，在市场上尚不 多见，还有待开发。 5 本人工作 本人在论文阶段主要做了下列工作： 1 对于3 g 移动通信和无线局域网从家庭网的角度作了综合评估。家庭网是 非常复杂的专用综合业务网。其业务从高低速数据、电话到电视，麻雀虽小，五 脏俱全；其运行环境包括室内和室外，移动的和静止的条件；由于适应多种用户 的需求，其投资有限，运行成本力求低廉。从这些条件出发，提出一种较为合理 和有效的、融合3 g 和w l a n 的网络技术。 2 设计了家庭网的架构，及其a p 的结构。a p 是家庭网接入核心网的接入 中心，除了作为物理的接口以外，具有一定的管理功能。 3 设计了i p 电话的基带模型。并实现了它的电路。在设计时不仅考虑其性 能，还考虑了其成本的可接受性。 4 参加了“航科集团公司五院五0 八所”的委托进行c c d 相机电路降噪、 提高信噪比技术的研究项目。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 附录c c d 项目的工作简介 本人在这个项目中负责完成c c d 产生噪声的机理及噪声特性分析。 1 电荷耦合器件的基本功能分析 电荷耦合器件( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 是一种半导体结构。c c d 结 构有三种基本功能：电荷收集；电荷转移：电荷转换成可测电压。c c d 阵列的 基本结构是金属氧化物半导体( m o s ) 组成的电容器。电容器称为门。通过操 纵门电压，电荷能被存储和转移。固体状态相机的核心是固体状态阵列。它进行 将光的密度变换为可测量的电压。用合适的时钟信号取样。得到实时的电压信号 以表示空间的光子密度。当阵列的输出放大，并形成标准的视频格式，就完成了 固体相机的所有功能。 c c d 像感是利用c c d 所具有的光电转换和移位寄存器功能。 利用光电转换功能将投射在c c d 上面的光学图像转换为电信号的“图像”， 即电荷量与其照度成正比的电荷包的空间分布。然后利用移位寄存器功能将这些 电脉冲“自扫描”到输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。 光电转换过程还包含着空间到时间的转换。半导体的吸收过程也是光照产生 载流子的过程。c c d 利用处于表面深耗尽状态的一系列m o s 电容器( 称为感光单 元或光敏单元) 收集光产生的少数载流子。这些收集的势阱是相互隔离的。因此， 光信号转换成电信号的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分 立的采样过程。 2c c d 电路的噪声及噪声影响分析 c c d 有多种噪声。各种噪声的来源是不同的，其分布见图1 - 6 。 散粒噪声( s h o r t n o i s e ) 的产生起因于电子是离散的。它是随着光电子的产 生和暗电流的出现而产生的，是不可避免的固有噪声源。 在理想情况下，每个像素将有相同的暗电流，从所有的像素中减去暗电流可 以得到信号。但是，事实上由于各个像素的不均匀性，导致暗电流具有随机不均 匀，暗电流本身都伴随着随机波动，因此减去其平均量后仍然残留其随机波动， 从而产生一种所谓固定模式噪声( f i x e dp a t t e r n n o i s e ，f p n ) 。显然，f p n 是由于 探测器参量误差、掺杂浓度等的不均匀和器件生产过程中的意外而产生的。此外 f p n 还有另一成因，即由于光响应不一致性( p h o t or e s p o n s en o n - u n i f o r m i t y , 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 一 一_ _ _ - - _ _ _ _ _ h _ _ 一 p r n u ) ，这是由予各个像素的响应度不一致弓l 超静。这种嗓声需要在生产过程 中依靠先避工艺来进行控制。 每个电荷被读出后，感测端需复位。麓位电羼的变化寝现为输出信号的附加 波霸，形成所谓燹位噪声。 众所周知，放大器产擞白噪声和与频率成反比的1 f 噪声。前者采用低噪声 工艺寒控潮，嚣豢霉湛鬟糖关双袋徉援拳寒蘩利。 为了把模拟信号变换为数字倍号，模数变换是必要的步骤。模数变换产生量 纯噪声。必须在设计露考虑量纯的分辨率，使之遮到要求。 c c d 输出信号被所有上述噪声污染，使接收的图像不清晰或失真。 散粒噪声 圈1 - 6 噪声分布经嚣 尽管存在各种嗓声源，对多数应用来说，仅仅考虑散粒噪声、本底噪声、 p r n u 就已经充分了。 事实土，对非誉 氐的光子流，本底噪声是主要噪声。随着入射流的增加，光 予散粒噪声占主聚。最盾，入射流很高时，p u n u 占主嚣。随着信号接邋饱和， 噪声达到蜂壤，程饱翻匙突然下辫。这是囊予蘧赘电萄势辫达到锪秘，懿予霹能 漱出到l 临近的势阱或者过流沟道，结果噪声电子数目开始下降。具有大的信号 帮，l 、蕊p r n u ，光予散敉溱声占主要。囊p r n u 大霹，阵列嗓声主要为p r n u 噪声。 3c c d 的信嗓比及降嗓方法 扶噪声瀵除袋撩利考感，噪声可分嚣类： 可以用相关双采样进行抑制的噪声。这类噪声，其频率比取样频率低得 多，因噩乏在取样粥期肉，其藕度麓本不变。这是耩关双采襻懿基本条辞。 相关双聚样无法抑制的噪声。这类噪声的频率比取样频率高的多，因此 在取样阕麓内其幅度发爱随祝黛亿，并艇其相镶也兵有随机交亿。这炎 嗓声的两次采样不可能燕相关的，因此相关双采样无法怒到抑制作用。 参考文献 【l 】a s h am e h r o t r a , c e l l u l a rr a d i op e r f o r m a n c ee n g i n e e r i n g ，a r t e c hh o u s e ，l9 8 8 ， u s a ， 【2 】t h e o d o r es r a p p a p o r t ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ：p r i n c i p l e s a n dp r a c t i c e 。 p r e n t i c eh a l l ，1 9 9 6 ，u s a 3 】蘸毽拣等，褒代无线逶绩技术，援摄王数出黢李，2 0 0 3 ，北裘。 【4 t e r oo j a n p e r a ，r a m j e ep r a s a d ，宽带c d m a ：第三代移动通信技术，人民邮电 擞叛享主，2 0 0 0 ，j b 京。 s 】j i mg e i e r , w i r e l e s sl a n s ：i m p l e m e n t i n gi n t e r o p e r a b l en e t w o r k s ，m a c m i