（机械电子工程专业论文）绿色家庭网络系统构成研究.pdf

摘要 摘要 家庭网络能够向人们提供高质量的居住环境。然而随着家庭网络的迅速发展，家庭 环境中的电子设备越来越多，系统构成和布局组网也越发复杂，由此产生的电磁辐射问 题十分严重。这不仅威胁了长期生活在其中的人们的身体健康，同时也影响了系统信息 传输的准确性。因此，研究一种能够迎合巨大市场前景的绿色的家庭网络系统将具有非 常高的经济价值。 本课题在总结和汲取国内外学者在该领域研究成果的基础上，结合实际课题要求， 以光纤通信技术为依据，从系统构成入手，提出了一种绿色的家庭网络系统。 论文从绿色家庭网络系统的外部接入网部分出发，提出采用光纤接入技术，通过无 源光网络中的e p o n ( 光纤以太网) 技术实现家庭内部的“三网融合”，采用光纤到桌面 ( r i - r o ) 技术实现绿色的全光网络；然后介绍了系统的基本构成，提出在家庭网关到网 络家电等终端设备之间全部采用双纤双向的传输方式，重点设计了基于$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式 核心的带有光纤以太网卡和光纤接头的家庭网关，包括主网网关和子网网关；提出系统 采用分层的拓扑结构，并构建系统的通信平台，实现系统内部高低速信息的兼容；最后 从资源消耗、带宽需求、电磁辐射和传输的误码率四个方面对绿色家庭网络系统和传统 的家庭网络系统的性能进行分析比较，阐明了系统的优越性能。 本课题提出的绿色家庭网络系统具有无电磁干扰、无辐射、准确、高效、环保、节 能等特点，对于家庭网络的未来发展有一定的参考价值。 关键词：家庭网络、绿色、光纤、系统构成 大连交通大学工学硕十学位论文 a b s 仃a c t h o m en e t w o r kc a np r o v i d eh i g h - q u a l i t yl i v i n ge n v i r o n m e n tt op e o p l e h o w e v e r ，w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh o m en e t w o r k i n g ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cd e v i c e si n h o m ee n v i r o n m e n t , t h es y s t e mc o m p o s i t i o na n dn e t w o r kl a y o u ti sa l s om o r ec o m p l e x ，t h e r e s u l t i n gp r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni sv e r ys e r i o u s t h i si s n o to n l yt h r e a tt h e h e a l t ho fp e o p l ew h ol i v ei n t h i sk i n do fe n v i r o n m e n tf o ral o n gt i m e ，b u ta l s oa f f e c tt h e s y s t e ma c c u r a c yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n s o ，t h e r ew i l lb ev e r yh i g l le c o n o m i cv a l u et o r e s e a r c ht h eg r e e nh o m en e t w o r kt oc a t e rt ot h eh u g em a r k e tp r o s p e c t o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pa n dl e a r n i n gf r o mt h er e s e a r c hr e s u l t sa c h i e y e db yt h e s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d , w i t ht h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so fs u b j e c ta n db a s e do nf i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，s t a r t i n gw i t hs y s t e mc o n s t i t u t e ，p r o p o s e dag r e e nh o m en e t w o r k s y s t e m p a p e ri ss t a r t i n gw i t ha c c e s sn e t w o r ko fg r e e nh o m en e t w o r ks y s t e m ，p r o p o s e dt ou s e f i b e r - o p t i ca c c e s st e c h n o l o g y ，t h r o u g ht h ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ko fe p o n ( e t h e m e t f i b e r o p t i c ) t e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ef a m i l y s ”t r i p l ep l a y ”，t ou s eo p t i c a lf i b e rt ot h ed e s k t o p ( f t t d ) t e c h n o l o g yt oa c h i e v et h eg r e e na l l - o p t i c a ln e t w o r k s ；a n dt h e ni n t r o d u c e dt h eb a s i c c o n s t i t u t eo ft h es y s t e m ，p r o p o s e dt ou s et w o w a yd u a l f i b e rt r a n s m i s s i o nm o d eb e t w e e n h o m eg a t e w a ya n dt e r m i n a le q u i p m e n ts u c ha sh o m ee l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，b a s e do n $ 3 c 2 4 1 0 e m b e d d e dc o r e ，e m p h a t i c a l l yd e s i g n e dt h eh o m eg a t e w a yw i t hf i b e r - o p t i ce t h e r n e ti n t e r f a c e e a r & a n df i b e ri n t e r f a c ei n c l u d eh o s t - g a t e w a ya n ds u b - g a t e w a y ；p r o p o s e dt o u s ea h i e r a r c h i c a lt o p o l o g yi nt h i ss y s t e m ，a n db u i l tt h ec o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m ，r e a l i z e dt h e c o m p a t i b i l i t yb e t w e e nh i 曲s p e e da n dl o ws p e e di n f o r m a t i o ni sd i s c u s s e d ；f i n a l l ya n a l y z e d a n dc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fg r e e nh o m en e t w o r ks y s t e ma n dt h et r a d i t i o n a lf a m i l y n e t w o r ks y s t e mf r o mr e s o u r c ec o n s u m p t i o n , b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t s ，e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o na n dt r a n s m i s s i o nb i te r r o rr a t ef o u ra s p e c t s ，e x p l a i n e dt h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h eg r e e nh o m en e t w o r ks y s t e mp r o p o s e di nt h i ss u b j e c ti s n oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，n o n r a d i a t i o n ，a c c u r a t e ，e f f i c i e n t ，e n v i r o n m e n t a l ，e n e r g y - s a v m g s ，a n dh a sc e r t a i n r e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fh o m e n e t w o r k k e yw o r d s ：h o m en e t w o r k ；g r e e n ；f i b e r ；s y s t e m c o n s t i t u t e 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬壅通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：救 日期： 如罗年 朔f 乡日 学位论文作者毕业后- + x 向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：锄聋、 c ： 二，、 日期： 矽年 f 月 大连交通大学电话：8 4 1 0 6 5 8 7 大连交通大学研究生学院邮编：1 1 6 0 2 8 y js b d j t u e d u c n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他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何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：丢乙够 a 期： 沙1 年i f 闩i 专日 第一章绪论 1 1 研究意义及课题来源 第一章绪论 1 1 1 课题的意义 随着社会信息化的加快，人们的工作生活和信息通讯的关系日益紧密。信息化社会 在改变人们生活习惯与工作方式的同时，也对传统的生活环境质量提出了挑战。从一九 八四年美国出现第一座智能大厦发展到今天的智能家庭网络，人类的居住方式正在经历 一场轰轰烈烈的住宅革命。 家庭网络是3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 技术的融合【1 1 ，通 俗意义上来讲指融家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭 范围内实现通信设备、信息设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安 监控装置、水电气热表设备、家庭求助报警设备等互联和管理，以及数据和多媒体信息 共享的系统。它集系统、结构、服务、管理为一体，向人们提供了高效、舒适、安全、 便利的居住环境。因此家庭网络已成为人们公认的下一个前沿目标。 目前，许多国家都对家庭网络及其相关产业的研发投入了大量的精力，而我国家庭 网络产业才刚刚起步。因此，针对家庭网络系的开发和研究将具有非常高的经济价值， 其市场发展前景也相当广阔。 1 1 2 课题的来源 目前家庭网络的组网形式多种多样，传输媒介包括双绞线、电力线、同轴电缆、无 线射频等【2 】。然而，随着家庭网络的迅速发展，家庭环境中的电子设备越来越多，系统 构成和布局组网也越发复杂，由其产生的电磁干扰问题十分严重。 电磁干扰的主要形式有： ( 1 ) 瞬态开关、继电器、开关电源、高速逻辑电路，其频率可达几千h z 至几十兆h z ； ( 2 ) 设备中的换向装置、电铃、振动器、可控硅逆变电路，它们的瞬态效应会产生 带宽为几十千至几十兆h z 高频脉冲，能对周围电磁设备或系统产生辐射和干扰。 ( 3 ) 气体电晕放电、荧光灯、氖灯、气体整流、高压电器设备( 高压输电线) 、变压 器等，在其工作时常常会产生电晕、放电，其周围会产生交变电磁场和高频感应，会使 计算机设备、网络系统或其它电子设备( 系统) 产生误动作或误信号。 ( 4 ) 大功率强度、非正弦波信号源会对邻近计算机设备或其它电器设备产生辐射和 干扰。 大连交通大学t 学硕士学位论文 ( 5 ) 电源干扰，公用电源被污染，电源稳压不好，都会使供电设备受到干扰和影响。 ( 6 ) 静电影响：机房或计算机设备防静电措施不当，会使各种原因产生的静电高达 几百甚至几千伏而损坏设备。 ( 7 ) 网络系统布线或拓朴结构设计不合理也能引起干扰。例如：接地不合理、强弱 信号平行走向间隔太近、屏蔽不好、设备布局不合理等都会产生一些干扰。 这些电磁干扰对于家庭网络系统信息传输的准确性和安全性造成了很大的影响，由 其产生的电磁辐射也对长期生活在家庭环境中的人们的身体健康构成了严重的威胁。 据查阅的大量国内外相关资料表明，针对家庭网络系统电磁辐射问题的研究还几乎 没有。因此，研究一种能够迎合巨大市场前景的绿色家庭网络系统将具有非常高的经济 价值和可行性。 1 2 家庭网络系统的主要研究内容 1 2 1 家庭网络系统的组成 数字家庭网络通常有三部分组成【3 】： ( 1 ) 家庭智能联网环境的构筑； ( 2 ) 家庭网关； ( 3 ) 各种信息终端设备和智能家电设备。 家庭网络联网形式：是数字家庭中的网络基础，它能够将数字家庭内各类终端互联 并与家庭网关相连，通过家庭内部有线或无线方式的互联技术实现家庭网络各信息终端 设备和智能家电设备的自组织联网并提供自动发现和配置，保证整个家庭的网络通讯的 安全畅通。 家庭网关：是家庭内部网络同家庭外部网络的联结点。按照业务和应用不同，家庭 网关可以分为数据网关、应用网关和控制网关三种类型。数据网关是用于进行数据吞吐 的简单路由器，它可以用于汇合多个i n t e m e t 连接，并通过防火墙保护专用网络。某些 数据网关可能还提供存储功能，比如：电子邮件和语音邮件存储。应用网关是指通过有 线或无线的方式互连各种多媒体设备( 可视电话、摄像头、数字机顶盒) ，并通过宽带网 络接口实现各种互联网上的应用。控制网关可以实现远程网络上的家庭控制和安全服务 管理。例如：拥有家庭控制网关的用户可以在工作或外出期间，访问自动化照明、供热 和安全系统。 信息家电设备：是数字家庭应用的执行者，信息家电设备包括家电、信息通信设备、 各种传感器和执行机构等，这些传统的设备网络化后联接到家庭网络系统中实现控制功 能。 2 第一章绪论 1 2 2 家庭网络业务功能 家庭网络系统应该具备和满足以下三大功能1 3 , 4 】： ( 1 ) 安防监控报警功能：可视对讲( 单元与住户之间) ；门禁、窗禁防盗( 红外对 射、门磁、窗磁等方式) ；身份识别( 照相、指纹) ；水、电、气泄漏状态监测报警。 ( 2 ) 网络管理功能：多路语音的交换；视频( c a t 信息有源分支、分频；家 庭网络数据共享( 宽带接入) ；家居综合布线( 信息集中管理) 。 ( 3 ) 信息控制功能：远程抄表( 水、电、气) ；家用电器功能控制、调节和监测； 物业管理支持( 双向互动) ；室内无线控制；灯光控制和背景音乐的控制。 家庭网络系统通过家庭网关接入增值业务服务平台还可以实现更多的功能，如语音 业务：p s t n 电话、口电话、无线市话；视频业务：口t v 、v o d 点播、网络游戏、远程 办公教育医疗；数据业务：互联网访问、电子商务、短消息、家电控制等。 1 2 3 家庭网络通信协议标准 完善的家庭网络包括三部分：高速a o v 网络、数据通信网络和低速控制网络。三种 网络通过一个网关互连，该网关同时也是整个网络的控制配置主节点，每一子网可以使 用不同的物理媒体和通信协议，网关节点兼容所有的通信协议并与i n t e m e t 相连。家庭网 络的协议标准可分为三种，底层协议规范、a p i 层协议规范和u i 层规范。现行的家庭网 络协议主要有日本的h b s 标准：欧洲的b a t i b u s ，e i b 和e u r o p e h o m es y s t e m 标准；美国 的x 1 0 ，c e b u s 和l o n w o r k s 标准。另外还有一些工作组发布的互操作和接口规范：h p n p ， h o m e a p i 和j i n i 技术。其中c e b u s 和l o n t a l k 协议已被e i a 发布为e i a 一6 0 0 标准和e i a 7 0 9 标准，并且正在向国际标准发展【5 】。 我国信息产业部的发布的家庭网络平台系列标准由s j t 1 1 3 1 2 2 0 0 5 家庭控制 主网通讯协议规范、s j 11 3 1 3 - 2 0 0 5 家庭控制主网接口一致性测试规范、 s j t i1 3 1 4 - 2 0 0 5 家庭控制子网通信协议规范、s j t 11 3 1 5 2 0 0 5 家庭主网通信协议 规范、s j t 11 3 1 5 2 0 0 5 家庭控制子网接口一致性测试规范、s j t 11 3 1 6 2 0 0 5 家 庭网络系统体系结构及参考模型、和s j t 11 317 2 0 0 5 家庭网络设备描述文件规范 等六个标准组成。这些标准经公示后作为行业推荐性标准正式发布，对于国内打造相关 产业链，具有积极的引导作用【6 】。 大连交通大学工学硕十学位论文 1 3 国内外现状及发展趋势 1 3 1 国内外研究现状 从全球的发展情况看，目前各地的数字家庭网络是以不同的业务重点来向用户推广 的。在欧洲，数字家庭网络采用m h p ( 多媒体家庭平台) 作为核心已经进入了实用化，且 其发展要远远好于美国和日本。如英国的b s k y b 推广之后，两年内就获得了3 0 0 万家庭用 户，法国t p s 也发展了1 0 0 万家庭用户。韩国的数字家庭网络已经纳入了国家的战略规划， 同时也是宽带接入普及后的一个自然应用。目前，韩国电信运营商和设备制造商已经将 重点放在数字家庭网络上，s k 电讯、k t 电信和电子信息研究院都在“数字化家庭研 究开发方面投入了巨资，开始了大规模的家庭网络试验。美国则是电信运营商出于电信 市场竞争的压力以及未来持续发展的需要来发展家庭网络业务，希望借助家庭网络将传 统的电信业务延伸和拓展到家庭内部【7 1 。 目前，我国的家庭网络技术还处于起步阶段。2 0 0 0 年智能化家庭网络的概念刚刚兴 起；2 0 0 1 年我国开始对家庭网络的研究和开发；2 0 0 2 年智能化家庭网络开始在沿海和省 会城市的中高档住在小区进行试验：2 0 0 3 2 0 0 5 年智能化家庭网络系列产品开始推广和 普及。目前，我国的家庭网络技术还处于起步阶段。虽然其应用规模较前几年有较大幅 度的提高，但仍然无法和较发达的地区相比，其中还有许多有待解决的问题。总的来说， 由于国内智能化家庭网络产品的研发相对较晚，在整体水平上显得参差不齐，软件功能 较差，升级能力差，系统也不易维护。并且，很多厂商对产品的核心技术不拥有自主知 识产权嗍。 1 3 2 存在的问题和面临的困难 网络家电能给我们的生活带来许多方便，但是并没能快速普及。纵观目前国内的情 况，网络家电的发展还存在一些问题： ( 1 ) 技术方面 家庭网络处于引导期，没有统帅品牌和领军企业，市场处于无序竞争期。 家庭网络行业市场远未成熟，市场份额较为分散，市场的认知和接收程度较低， 市场尚处于一个需要逐步培育和引导阶段。 面对着巨大家庭网络市场的需求，市场区域也存在着不均衡的状态。 家庭网络产品还存在诸多问题，比如产品外观设计不够精美，性能和可靠性较差， 售后服务和保证措施不够完善等。 智能家庭网络的发展尚有许多理论与技术问题有待于研究和开发，如系统集成、 4 第一章绪论 智能材料、网络结构、智能化物业管理、嵌入式系统、语音识别技术研究掣引。 ( 2 ) 应用方面 上网费用较高，一般老百姓负担不起。 产品的价格偏高。只家庭网关一项就价值不菲，家电还得另外付钱。就目前中国 的状况来看，一般家庭对这样一个需求没有太大的必要性。 网络建设发展不理想，网络闲置率高和网络“塞车”现象同时存在。由于接入的 网络带宽过窄，许多用户上网的等待时间比使用时间还长。据了解，美国局部网的容量 是2 0 g b p s ，接入网一般是4 5 m b p s ，一条线一般不超过3 0 0 个用户；而我国广东的网络 容量为2 5 g b p s ，接入网一般是4 7 m b p s ，一条线常常要带上千个用户，这就难免出现 上述现象p j 。 中国懂得上网的人还不很多。据统计，目前中国的网民相对1 3 亿的总人i z l ( 农村 人口居多) 来说，所占的比例是比较少的，用得起信息家电的用户自然也不会很多。 此外，网络服务跟不上也是个重要因素。国内不少城市的因特网服务商没有在本地 实现互连、互通，造成各个网络信息和数据很难实现共享。 1 3 3 家庭网络的发展趋势 众多文献资料表吲7 母】，随着计算机控制、通信技术的发展及关键技术的突破，家 庭网络正在向集成化、智能化、标准化、协调化、模块化、规模化、平民化方向发展。 神经网络技术、专家系统和模糊逻辑控制技术已经应用于家庭网络中。如神经网络芯片 和模糊芯片用于设备系统的智能控制，专家系统用于对家庭网络设备的监测、维护和故 障诊断分析等。家庭网络产品将依据消费者的需求个性化，且灵活易用，设计小、美观 时尚。 从市场前景来看，家庭网络的业务将： ( 1 ) 由服务提供商向系统集成商转型； ( 2 ) 拉动带宽需求的增长：多个家庭共享一个宽带账号不会减少接入服务的收入， 反而由于多台p c 联网后新的应用( 比如家庭联网游戏) 的出现，拉高了对接入带宽的需 求，运营商可以根据不同等级的接入速率制定不同的价格策略； ( 3 ) 迫使运营商提供个性化的且不断丰富和完善的服务内容：运营商要想获得利润， 就需要不断的开发适应消费者需求的服务内容，其中最典型的就是p t v 业务。 ( 4 ) 不断降低家庭网络的收费标准： 总之，大量科研精力的投入，将使家庭网络向着绿色、信息化和智能化结合的方向 不断发展。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 本论文以家庭网络系统的基本组为研究对象，重点提出了绿色理念，着重分析了以 下几个方面的内容。 1 4 1 光纤通信技术 绿色家庭网络系统是以光纤通信技术作为前提的。文章在这部分主要介绍了光纤通 信技术的相关内容及其性能优势。 接入网是家庭网络的“第一公里刀，目前常用的宽带接入方式一般有x d s l 接入、 c a b l em o d e m 接入、以太网接入、无线接入和光纤接入等方式，其性能会对整个家庭网 络系统的性能产生重要的影响。文章分析了接入网提供的综合接入业务( 如p o t s 、i s n d 等) ，选择e p o n ( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，光纤以太网) 作为该绿色家庭网络系 统的接入网部分。 1 4 2 绿色家庭网络系统的基本组成 这部分内容主要介绍绿色家庭网络系统的基本组成：光纤作为传输媒质构成绿色的 联网环境；采用标准光纤接头的网络家电和终端设备；带有光纤以太网卡的绿色家庭网 关。 重点设计绿色家庭网关( 包括主网网关和子网网关两部分) ，内容包括： ( 1 ) 硬件结构设计； ( 2 ) 软件环境的选取； ( 3 ) 协议转换过程及实现； ( 4 ) 工作过程及功能实现方式。 1 4 3 绿色家庭网络系统通信方式 这部分内容介绍信息产业部家庭网络协议规范的具体内容，包括家庭网络系统体 系结构及参考模型、家庭主网通信协议规范、家庭主网通信协议一致性测试规 范、家庭控制子网通信协议规范、家庭控制子网通信协议一致性测试规范、 家庭网络设备描述规范六项标准。提出绿色家庭网络系统的体系结构，采用分层的 c s ( 客户端一服务器) 拓扑结构，将家庭控制子网关视为家庭主网中的一台高速设备。 重点针对家庭用户及应用的广泛性，设计了家庭内部的通信平台。该通信平台通过 运用合理的通信机制，建立多种信息通道，提高了通信速度，增强了通信能力。 6 第一章绪论 1 4 4 绿色家庭网络系统性能分析 这部分内容主要从以下四个方面分析了绿色家庭网络系统较传统家庭网络系统性 能的优越性。 ( 1 ) 资源消耗；日益衰竭的铜资源与日新月异的光纤通信技术发展成为鲜明对比， 采用光纤通信是大势所趋； ( 2 ) 传输带宽：随着家庭网络功能的不断扩展，对网络带宽提出了更高的挑战，传 统的电缆通信成为扩展带宽的瓶颈，而绿色家庭网络系统采用光纤通信就完全可以解决 这个问题； ( 3 ) 电磁辐射：医学研究表明，复杂的电磁环境会对人体健康产生严重影响，而光 纤通信具有无电磁干扰、无辐射的优点； ( 4 ) 传输误码率：从信号的角度分析电磁辐射对于信息传输的影响，进一步说明绿 色家庭网络系统的优越性能。 本章小结 本章对绿色家庭网络系统的研究意义、目的进行了简要介绍；提出了本课题具体的 研究内容，在接下来的几章中将分别介绍。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 第二章光纤通信技术 绿色产品是2 0 世纪8 0 年代后期世界各国为适应全球环保战略，进行产业结构调整 的产物。绿色产品0 0 ( g r e e np r o d u c 0 ，或称为环境协调产品( e c p ：e n v i r o n m e n t a l c o n s c i o u s p r o d u c t ) ，目前尚无确切的定义，不同学者从不同角度给出了绿色产品的不同 定义，但概括来讲：绿色家电产品是一种通过先进技术手段获得的，在生命周期全过程 中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，有利于人类的安全与健康， 能满足不断变化的绿色消费需求，资源利用率高，能源消耗低的高新产品。绿色家电产 品是环境友好型产品，这是绿色家电产品区别于一般产品的重要特征。绿色家电产品的 “绿色度一体现在产品的生命周期全过程，而不是产品的某一局部或某一阶段。 本文设计的绿色家庭网络系统主要可以分为外部接入和内部组网两个部分。“绿色 主要是指以光纤作为通讯媒介，本章将主要介绍光纤通讯的一些前沿技术，通过对比分 析的方法，选择外部接入网部分。 2 1 光纤通信的优势 光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信【1 1 1 。具体 说是利用半导体激光器( l a s e rd i o d e ，l d ) 或半导体发光二极管( l e d ) 作为光源器件，把 电信号转换成光信号并将其耦合进石英( 或塑料) 光纤中进行传输，在接收端使用半导体 检测器件( 检波器) ，如雪崩光电二极管( a p d ) 或光电二极管( p i n ) 等，将光信号再还原为 电信号的一种通信方式。 光纤通信之所以发展迅猛，这与光纤通信技术所具有的巨大技术优势和潜力，以及 其巨大的经济效益是分不开的。 光纤通信的优点可以从经济和技术两个方面看【1 2 1 。 ( 1 ) 经济优势 频率资源丰富，通信容量大。多模光纤的带宽最高可达7 g h z ，远远大于同轴电 缆。单模光纤的可用带宽高达2 0 0 t h z ，一对单模光纤的潜在容量达到上亿路电话，几 乎是用之不尽。 无中继通信距离长。以1 4 0 m b i t s ( 1 9 2 0 路) 1 3 1 m a 单模光纤通信系统为例，再光纤 损耗为0 4 d b k m 时，其中继距离可达6 0 k i n 。而3 0 0 路、9 6 0 路、1 8 0 0 路同轴电缆通信 系统，中继距离只有4 - - - 8 ；微波系统中继距离为5 0 k m 。若采用1 5 5 1 m a 波长光纤传输 系统时，中继距离可超过l o o k m 。 节约铜铝和铅。我国乃至世界铜资源都非常缺乏，l k m 长的疤八管中同轴电缆要 8 第二章光纤通信技术 耗铜1 2 吨，利用石英玻璃纤维代替同轴电缆实现通信，可以节约大量的铜铝和铅。 抗干扰能力强，保密性能好。光纤不受电磁干扰，具有抗辐射的能力，保密性能 好。光纤直接埋设在电气化铁道的路基上或与高压线同杆架设，甚至直接制作在 o p g w ( o p t i c a lf i b e rc o m p o s i t eo v e r h e a dg r o u n dw n ，光纤复合架空地线) 中都不会受到 干扰，也不用担心电网故障时地电位升高而带来的一系列问题，因此在电力部门、铁路 部门、军事部门都得到了广泛应用。 光缆耐腐蚀，重量轻，体积小。 ( 2 ) 技术优势 数字光纤传输系统很容易与程控交换机相连接，而主要用于模拟通信的同轴电缆 很难满足数字化的要求。 数字光纤传输设备采用了专用超大规模数字集成电路和混合集成电路，以及表面 安装技术，使设备的可靠性大大提高。 由于数字光纤传输系统采用p c m 技术，因而可以方便地利用终端设备上的计算 机实现全系统的监测与监控。 扩容方便。扩容时只要增加若干光、电设备，不必更换光缆，不必增加中继站数 量。 利用“插入比特 的线路码型，可以方便地解决“区间通信问题和任意上下话 路问题。 ： 光纤同轴电缆混合( h y b r i df i b e rc o a x ，a r c ) 技术广泛地应用于有线电视网中。 分波复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ，w d m ) 技术使得光纤通信的容量大幅度 提高而不用增加光纤芯数。 2 2 接入网技术 l 圆i 圆l 圃l 圆l 回l c p n ：用户驻地网u n l * 用户网络接口s n i ：业务节点接口 图2 1 电信网组成示意图 f i g 2 1s t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo ft e l e c o m m u n i c a f i o nn e t w o r k 接入网( a n ，a c c e s sn e t w o r k ) 是电信网的组成部分，负责将电信业务透明传送到用 9 大连交通大学工学硕士学位论文 户。电信网包含了各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备、以及各种线路设施 等。整个电信网按功能可分为3 个部分，即传输网、交换网和接入网，它们的关系如图 2 1 所示。也就是说，用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。 具体而言，接入网即为本地交换机与用户之间的连接部分，通常包括用户线传输系统、 复用设备、交叉连接设备或用户网络终端设备1 1 2 。1 4 j 。 2 2 1 接入网的功能模型 接入网的功能结构是以n u t 建议g 8 0 3 的分层模型为基础【l5 1 ，将a n 划分为接入 承载处理功能层( a c c e s sf u n c t i o nl a y e r ，a f ) ，电路层( c i r c u i tl a y e r ，c l ) 、传输通道层 ( t r a n s m i s s i o np a t hl a y e r ，t p ) 、和传输介质层( t r a n s m i s s i o nm e d i al a y e r ，t m ) ，其中t m 又可以进一步划分为段层和物理媒质层，如表2 1 所示为分层功能及分层内容。 表2 1 接入网各层要素列表 t a b l e2 1l i s to fd i f f e r e n tl a y e r s e l e m e n t so fa c c e s sn e t w o r k 分层分层内容 接入承载处理功能层( 用户承载：用户指令；控制；管理 电路层( c l ) 电路模式；分组模式；帧中继模式：a t m 模式 传输通道层f r p ) 6 4 k b p s 通道；帧中继通道；a t m 、p d h 、s d h 信道：模拟信道：其他 传输介质层f r m ) 双绞线：同轴电缆；光纤通信；卫星通信：混合传输 2 2 2 接入网提供的综合接入业务 接入网可提供综合接入业务，即在同一个网络中实时实现话音、数据和图像3 种业 务，而这3 种业务目前已基本覆盖了用户绝大部分的通信需求。而这些业务可分为2 m b p s 一下速率的基本业务和2 m b p s 以上速率的宽带业务1 5 1 。基本业务有一下几类： ( 1 ) 普通电话业务( p o t s ) 的接入，如图2 2 所示。 双绞线 本地交换机光线路终端 光网络单元p o t s ( l e )( o l t )( o n u ) 图2 2 p o t s 业务的接入 f i g 2 2a c c e s so fp o t s 1 0 第二章光纤通信技术 接入网提供普通电话( p l a i n o l d t d d p h o n es e r v i c e 。p o t s ) 接r 7 ，它既可支持模拟用户， 又可以支持用户交换机的接入，如图2 2 所示，同时还支持虚拟用户交换机( c e n t r e x ) 及 c m ( c a l li d e n t i f i c a t i o l l ，呼叫识别) 等新业务。用户信令可以是双音多频信号或线路状态 信号，用户附加业务不受限制。可实现：缩位拨号、热线服务、呼出限制、免打扰服务； 查找恶意呼叫、闹钟服务、截接服务、无应答转移：缺席用户、呼叫等待、遇忙回叫、 转移呼叫；三方通话、会议电话等。 ( 2 ) 综合业务数字网( i s d n ) j k 务的接入，如图2 3 所示 图2 3 综合业务数字网( i s u n l 业务的接八 f i 9 23 a c c e s so f l s d n 接入网提供i s d n b r i ( 2 b + d ) 和i s d n p r i ( 3 0 b + d ) 接口，咀2 b + d 和3 0 b + d 方式支 持n i s d n ( n a r r o w b a n d i s d n ) 业务，如可视会议电话、可视图文、g 4 传真、电子邮箱、 数据信息检索、局域网互连及i n t e m e t 接入等多种业务；支持i s d n 用户与模拟电话用 户混合配置；支持2 5 种i s d n 补充业务，如直接拨入( d i r e c td i a li n ，d d i ) 、多用户号 码( m u l t i p l es u b s c r i b e r n u m b e r ，m s n l 及主叫线识别显示( c a l l l i n e i d e m i t y p r e s e n c e ，c l i p ) 等业务。接入网是通过v 5 2 接口支持i s d n 的接入。 ( 3 ) 租用线。通常的租用业务包括2 4 音频、e m 音频、磁石电话等 ( 4 ) 数据接口。数字数据网络( d i 掣谢d a t a n e t w o r k ，d d n ) 是一个传输速率高、质量 大连交通大学t 学硕士学位论文 好、网络时延小、全透明的数字数据网络。接入网提供的数据接口包括2 0 4 8k b i t s ( g 7 0 3 ) 、 n 6 4 k b i t s ( v 3 5 v 2 4 ) 、子速度2 4 ) 及2 8 1 q 。基于6 4 k b i t s 时隙的交叉连接和丰富的 数据接口，接入网可以满足任意的d d n 接入方式。 ( 5 ) 2 m b p s ( 成帧和不成帧) 。 除了上述集中基本窄带业务外，光纤接入网系统还可支持一些宽带业务： ( 1 ) 单向广播式业务( 如有线电视业务) 。 ( 2 ) 双向交互式业务( 如视频电波、数据通信业务、数字图像业务等) 。 ( 3 ) 以太网业务，以1 0 1 0 0 m b p s 的形式实现接入。 ( 4 ) x d s l 业务接口。通过该接口以双绞线的方式接入宽带用户。 接入网是宽带核心网络到用户网最后一段路程( 1m i l eo r1k m ) 的传输网络。近1 0 年 来核心网络的带宽高速发展，已经远远超过了接入网的承载能力，使得核心网的带宽和 接入网的带宽严重不匹配，接入网已经成为宽带业务进入用户的最后瓶颈。建设能把电 信、有线电视和计算机等多种行业中的语音、数据、静止或半静止图片，特别是活动视 像业务融合为一体的公共通信信息宽带接入网，是现代电信网发生巨大变革的主要环 节，具有多媒体的、全业务特性的公共通信信息宽带接入网是建设国家信息基础结构叫i i ) 的基本设施。而近年来光纤接入网的迅猛发展，使解决这一瓶颈问题有了技术依靠，先 后出现了模拟的光纤同轴混合接入网c ，h y b r i df i b e rc o a x i a l ) ，数字的无源光网络 ( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，其中包括a p o n ( a t mp o n ) 、e p o n ( e t h e m e tp o n ) 、 和g p o n ( g i g a b i tp o n ) ，以及有源光网络( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 等。 2 3 无源光网络技术 2 3 1 无源光网络的概念 无源光网络是一种应用于接入网、局端设备( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 与多个用 户端设备( o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a l ，o n u o n t ) 之间通过无源的光 缆、光分合路器等组成的光分配网( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，o d n ) 连接的网络。它 具有以下技术优势【1 6 , 1 7 】。 ( 1 ) 是理想的光纤接入网。无源纯介质的光分配网络对传输技术体制的透明性，使 之成为未来光纤到户( f r r i - i ) 、光纤到办公室( f t t o ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到桌面 ( f t t d ) 最理想的长远解决方案。 ( 2 ) 低成本。树形分支结构，多个o n u 共享光纤介质使系统成本低。纯介质网络 彻底避免了电磁和雷电影响，使维护运营成本大大降低。 1 2 第二章光纤通信技术 ( 3 ) 高可靠性。局端至远端用户间没有有源器件，使可靠性较有源光纤接入网大大 提高。 2 3 2e p o n 技术 未来的通信网将是个具有高带宽的、可支持各种基于m 技术业务的、以包交换 为基础的综合网络平台。宽带接入网在这个平台上占有极其重要的位置，而且也必须是 对基于业务优化设计的。在局域网中口协议都运行在以太网上( 9 5 以上的l a n 接 口是以太网的) ，即碑包直接封装在以太网帧中，以太网协议是目前与p 配合最好的协 议之一。由于以太网在局域网的大规模应用，其设备成本远低于a t m 设备成本。还有， 相当多的技术维护人员对以太网技术也比较熟悉，这也是以太网技术应用于接入网、城 域网领域的有利条件。因此，结合p o n 和以太网的e p o n ( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ) 技术综合了p o n 的容量大、寿命长、可升级性好、低成本、高可靠性等优势 和以太网技术与m 协议配合最好、成本低廉、技术成熟度高等优点，直接在p o n 上传 输以太网帧，在a p o n 的基础之上进一步降低了成本，不仅代表了光接入网的发展方向， 而且石英宽带接入市场口化的发展潮流。e p o n 的发展十分迅速，在包括北美在内的各 个国家均有十分广阔的应用前景。i e e e 8 0 2 3 a h 通过对i e e e 8 0 2 3 m a c 和m a c 控制子 层的扩展新规