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数字家庭网络DigitalHomeNetWorks 东华大学 主要内容 引言数字家庭网络定义数字家庭网络标准数字家庭体系结构数字家庭未来数字家庭设计举例 通信网的分层结构 骨干传送网 接入网 传送网 应用层 业务网 CPE CPN 支撑网 引言 数字家庭概念的出现数字家庭与3C融合多业务的系统融合 IPTV多功能的设备融合 智能手机数字家庭的机遇日本 家电美国 计算机软硬件 网络中国 数字家庭 3C融合 家庭设备存在的问题 不同的服务需要不同设备 设备间不能互联互通互操作 没有集成平台与技术品牌 引言 家电设备网络化AudioandVisual PVR TVetc 影音系统 如录像机 电视机等 SensorandMonitoringDevices NetworkedCameraetc 感应和监控设备 如网络摄像机 各种家庭网络化的标准出台DLNA IGRS E家佳 UOPF ECHONET LONWORKSetc 数字生活网络联盟泛在开放平台论坛家庭服务网络化LegacyTelecom通信 AVhomenetworking家居影音网络Internet access互联网接口 HomeAutomation家居自动化VoIP TVPhone网络电话 电视手机 HomeSecurity家居保安NetworkedSensors eg Checkgasmeter 网络感应器 如检查煤气表 机遇 据Ovum公司预测 全球数字化家庭的数量到2008年将达到1 21亿 目前中国的电视机保有量超过了3亿台 高端电视机的保有量360万台 截至2005年6月 国内宽带用户5300万 上网用户总人数超过1亿 国内城镇居民1 2亿户 FDDI ATM 距离 传输容量 个人 家庭 企业 IrDA 1394 USB BT HomeRF HomePNA HomePLUG Source 全球产业研究中心 发展顺序竞争关系全面竞争部分竞争未来发展 CPN技术竞争发展范围示意图 端连技术骨干技术 CPN拓朴分类 以太 Ethernet 电源线 PowerLine 电话线 PhoneLine 无线射频 HomeRF WLAN USB 1394 紅外线 无线射频 BluetoothZigBee 端连技术 AV网络信息及消費電子产品为主 Source 全球产业研究中心 骨干技术 信息网络产品为主 家庭网络 随科技不断进步 家庭网络正在高速发展中 家电 IT行业与电信行业对于家庭网络的理解和发展思路也不一样 因此无论国际和国内都有很多从事家庭网络标准化的组织 标准不统一 家庭网络简介 家庭网络示意图 数字家庭网络分类 1 数据网络2 多媒体网络3 控制网络 家庭网络之一 数据网络 家庭网络从狭义上来说是指数据网络 主要用于计算机及其相关外设如打印机 扫描仪等的互联 家庭网络之二 多媒体网络 将PC作为家庭媒体服务器 通过媒体适配器和电视 音响系统的互联 能够方便地把PC上存储的视频 音频 图片等分发到电视和音响上播放和显示 家庭网络之三 控制网络 主要是指 家电控制 空调 灯等 安全设备 门磁 窗磁 紧急按纽 烟感 煤气感应器等 红外探测器 水表 气表 电表的抄送 可视对讲等 家庭网络相关标准的组织 中国 中国正在制订家庭网络相关标准的组织主要 1 信息设备资源共享协同服务标准工作组 IGRS 2 e家佳3 中国通信标准化协会 CCSA 目前都已有了一些研究成果 为了提高中国在家庭网络领域自主创新的能力 进一步加快中国家庭网络的标准化进程 3个标准化组织应该打破行业壁垒 加强合作 实现优势互补 以合作共赢的态度研究中国自主的家庭网络标准 家庭网络相关标准的组织 国际 主要分为电信行业组织和家电 IT行业组织两类 两类组织的典型代表分别是ITU T和DLNA 通用即插即用 UPnP 论坛 ITU T ITU T是专注于电信领域的标准化组织 因此所研究的家庭网络主要是涉及到与公网联接的内容 ITU T对家庭网络的关注度越来越高 2005年7月ITU T进行了内部研讨 对家庭网络的标准化活动进行了初步规划 同时建立了家庭网络联合协调行动组 JCA HN 这一组织机构以开展对家庭网络标准化研究 在ITU看来 家庭网络作为端到端电信网络的最后一段 如何规划 定义和规范这一段网络来最终提供多样的电信业务 是ITU在家庭网络方面工作的主要目的 因此 ITU在家庭网络方面的主要研究领域集中在以家庭网关为核心的网络架构 家庭网络的服务质量 QoS 家庭网络的安全机制以及家庭网络相关的电信业务的研究上 家庭娱乐所涉及的有关内部互联和内容共享方面不是ITU T所关心的领域 相对独立的家庭内部自动化和控制方面也不在ITU T的视线之中 DLNA UPnP 数字生活网络联盟 DLNA 原名数字家庭工作组 DHWG 成立于2003年6月 它是一个主要由消费电子 计算机工业和移动设备公司组成的跨行业的组织 DLNA的很多活动与另一标准化组织UPnP在技术标准上有很大关联 两者关系非常密切 DLNA UPnP DLNA UPnP的远景 在家中构建一个由个人电脑 PC 家用电器 CE 和移动设备组成的有线与无线互操作网络 为共享和创建全新数字媒体与内容服务提供一个无缝的环境 DLNA UPnP DLNA的标准化内容 主要包括在家庭内部的设备互联 以实现内容共享 影音娱乐 DLNA UPnP与ITU T的目标和研究领域是不完全一样的 两者是一种互补关系 中国相关标准化组织 CCSA家庭网络工作组集中于在公共电信网提供的面向家庭的通信信息类业务上 面向通信类设备与国际上的ITU T对口 IGRS和e家佳的研究领域主要集中在家庭内部信息共享业务及较低带宽需求的控制类业务上 面向家庭中的家电 计算设备与国际上的DLNA UPnP对口 这3个组织目前的标准化工作具有良性的互补关系 各有各的优势 家庭网络的概念之一 电信业 家庭网络不仅仅是一种网络技术 更重要的是一种业务 服务 家庭网络一定要与电信网络进行连接 甚至可以是电信网络端到端的一部分 家庭网络可以通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸到家庭 家庭网络的概念之一 电信业 家庭网络能够提供和承载多种业务 如集成的话音 数据 多媒体 高质量音视频以及控制和管理等业务 从目前阶段来看 电信运营商提及的家庭网络更侧重于是 基于电信网络 Internet 面向家庭的多种业务 并强调 家庭网关 的概念 对于家电 IT行业提出的 家庭内部各种终端之间的资源共享和协同服务 的含义在电信业对家庭网络的理解中不太明显 因此 就目前的情况来看 电信业对 家庭网络 的理解和家电 IT行业对 家庭网络 的理解是不一样的 家庭网络的概念之二 家电 IT行业 最早是由家电 IT行业提出的 家电和IT行业的 家庭网络 指的是融合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信息设备 通信设备 娱乐设备 家用电器 自动化设备 照明设备 保安 监控 装置及水 电 气 热表设备 家庭求助报警等设备互联和管理 以及数据和多媒体信息共享的系统 其目标是打破各种 信息孤岛 实现信息设备 通信设备以及消费电子设备之间在家庭内部或办公室内的资源共享和协同工作 家庭网络的概念之二 家电 IT行业 目前其应用主要包括以下几个方面 PC机与家庭存储设备 打印机等外设联网实现资源共享 影音娱乐等家庭设备共享协同服务 如实现电视机 音响设备 DVD 计算机等家用多媒体设备的媒体传送和共享 家电网络控制 如灯光控制 空调控制 基于电信网的家庭网络参考模型 FPE功能处理实体EUTE用户终端功能实体 NAE HCE EUTE 基于电信网的家庭网络参考模型 家庭网络内部的逻辑功能实体有4个 1 网络接入功能实体 NAE 负责终结接入技术 2 家庭网络核心功能实体 HCE 负责完成家庭网络的核心功能 包括家庭内部设备的联网 远程管理 QoS 安全等 3 功能处理实体 FPE 完成IP 非IP的转换 以及信令和媒体格式的转换 4 用户终端功能实体 EUTE 由用户直接使用 提供用户界面 UI 家庭网络的物理设备 1 接入网络终端设备2 家庭网关3 适配设备4 用户终端设备 基于电信网络的家庭网络应支持各种电信业务 1 与电信网络的连接能力家庭网络可以采用各种接入方式与电信网络连接 2 家庭内部设备之间的联网能力家庭内部设备之间的联网技术应适应业务的发展 具有一定的可扩展性 家庭内部设备之间的联网技术的选择要考虑业务对带宽 QoS以及传输距离的需求 无线联网技术还需要注意空中接口的安全性 基于电信网络的家庭网络应支持各种电信业务 3 设备管理能力家庭网络设备的管理包括本地管理和远程管理 家庭网络设备应具有本地管理界面以支持本地登录以及管理与控制 该管理界面应仅限于本地使用 不能从家庭外部访问该界面 家庭网络相关设备 例如家庭网关 机顶盒等 应支持运营商对其的远程管理 管理方式可以是运营商对设备的直接管理或通过家庭网关代理进行管理 家庭网络设备支持远程管理应具有安全机制以避免非法的远程管理 远程管理的协议可以是TR069或简单网络管理协议 SNMP 基于电信网络的家庭网络应支持各种电信业务 4 QoS能力家庭网络中使用的QoS保证技术应可以对家庭网络中的业务和应用划分不同的优先级 应能根据业务需求提供满足业务网络要求的端到端传输能力 业务和应用的带宽和优先级可以根据用户或管理系统的要求进行调整 应能够与电信网络中使用的QoS保证技术互联 协调工作 应能兼容不同的家庭接入技术和家庭内部联网技术 应具有QoS监测和统计能力 基于电信网络的家庭网络应支持各种电信业务 5 安全能力家庭网络应能保证家庭网络中的设备安全 信息传送安全 6 设备自动发现能力家庭网络内部的设备之间应当遵从SJ T11310 信息设备资源共享协同服务第1部分 基础协议 或UPnPUDA1 0 UPnPTM设备架构 的规定 完成设备之间的自动发现和自动配置 基于电信网络的家庭网络应支持各种电信业务 7 业务处理能力家庭网络不仅仅是业务的承载网络 同时还要具有业务处理能力 例如IP语音 VoIP 的业务处理能力 IPTV的业务处理能力等 8 业务提供能力家庭网络应提供远程用户的外部访问 并提供如视频监控 信息家电远程控制 家庭网站等业务能力 基于电信网络的家庭网络应支持各种电信业务 9 设备供电能力如果家庭网络支持特殊业务需要不中断供电 家庭网络相关设备应具有后备电源 或具有远程供电功能以满足特殊业务的需求 10 可扩展能力家庭网络上将不断地引入新业务 因此家庭网络必须具有可扩展能力以支持新的业务 家庭网关的定义 家庭网关是家庭网络与电信网络之间的网关设备 家庭网络内的其他设备通过它可以与电信网络进行信息交互 也可以进行设备之间的信息交互 家庭网关实现中的逻辑功能实体组合可以是HCE或HCE FPE或NAE HCE或NAE HCE FPE 家庭网关的分类 根据家庭网关实现的逻辑功能组合的不同 家庭网关可以分为以下2类 类型1 无业务实现功能的家庭网关 实现NAE HCE的功能 不支持业务应用相关的功能 类型2 支持业务实现功能的家庭网关 实现NAE HCE FPE的功能 即除了具有类型1家庭网关支持的各项功能之外 还具有与业务实现相关的各项功能 由于业务的种类很多 该类网关还可以进一步分类 家庭网关的功能框图 家庭网关的功能模块 家庭网关包括5个功能模块 接入功能模块 家庭网关的接入功能主要实现家庭网络与电信网络的连接 联网功能模块 家庭网关的联网功能主要实现家庭内部的用户终端设备之间的连接 传送功能模块 家庭网关的传送功能主要实现家庭网络内部设备与电信网络之间的IP包的传送 家庭网关的功能模块 核心功能模块核心功能包括地址功能 QoS功能 安全功能 远程管理功能 本地管理功能 地址功能主要实现家庭网关自身IP地址获得以及支持家庭内部终端获得IP地址 QoS功能主要实现多业务流的分级处理及转发 安全功能主要防止外部网络对家庭网络的非法访问以及内部网络的非法接入 远程管理主要实现运营商对家庭网关的远程管理与控制 本地管理主要实现家庭网关的本地登录管理与控制 业务功能模块业务功能模块与公共电信网络的业务实现相关 由于业务的种类很多 所以具备业务功能的家庭网关有很多类型 其具备的功能也与特定的业务相关 CCSA家庭网络标准化计划 设备标准研究与发展 1 网关网关技术规范和测试方法包括功能要求 接口要求 性能要求等 2 通信终端通信终端是指由于家庭网络的发展产生的一些新的支持家庭网络相关业务的固定和移动通信终端 终端技术规范和测试方法包括功能要求 接口要求 性能要求 UI等 3 适配设备适配设备技术规范和测试方法包括功能要求 接口要求 性能要求等 适配设备在采用私有协议的设备与家庭网关连接时进行适配 测试方法 如终端技术规范和测试方法 适配设备技术规范和测试方法 设备标准研究与发展 2006年2月 中国通信标准化协会 CCSA 批准了 基于电信网络的家庭网络总体技术要求 和 基于电信网络的家庭网络设备技术要求 家庭网关 两项通信行业标准报批稿 在这两份报批稿中 对基于电信网络的数字家庭网络体系结构进行了详细定义 阐述了数字家庭网络的功能 并就其支撑的业务进行了探讨 在标准中明确规定 对于数字家庭网络 其接入方式可以是无线的也可以是有线的 从未来通信技术的发展来看 无线宽带接入是数字家庭网络的重要发展方向 但目前的标准没有讨论无线接入技术 家庭网络标准的未来发展趋势 家庭网络最终将发展成的目标是 家庭网络不仅仅是一个为了完成家庭内部各种设备资源共享 协同工作的网络 还能通过与外部网络 电信网 Internet 社区网 的连接 实现家庭内部设备与外部网络信息交流的目的 通过丰富多彩的业务和应用使用户享受到舒适 便利 安全的新的生活体验 无线数字家庭网络泛在接入技术 数字家庭网络是通信领域的一个重要分支 近年来发展非常迅速 基于电信网络的数字家庭网络体系结构在中国已经标准化 但就接入方式而言 只是定义了可以使用无线方式 如何组建无线数字家庭网络和无线泛在接入网络体系结构是未来研究的重点 关键技术包括无线电传感网 无线网状网 Mesh 网络理论 通用接入点链路转换机制 业务的QoS保障机制以及电磁兼容和异构系统共存机制等 无线数字家庭网络研究现状 根据无线空中接口 属于数字家庭网络的接入子网根据无线通信的距离 属于短程无线个域网 WPAN 的技术范畴 主要侧重使用超宽带 UWB 技术来提供短程的高速信息传输 也可以用来提供测距和定位等功能 无线数字家庭网络研究现状 目前 UWB主要有两种通信技术 一种为基于窄脉冲的超宽带技术 主要由Motorola等公司倡导 另一种为类似于正交频分技术的脉冲化多波超宽带技术 主要由Intel公司倡导 但这两种超宽带通信技术中国并不具有自己的知识产权 而且其相应的标准和应用还没有成熟 相反 冲激脉冲型的UWB技术中国具有一定的知识产权优势 并且就冲激脉冲型UWB技术本身而言 具有数据传输率高 定位精确等特点 能支撑更多的业务类型 超宽带的技术标准主要在IEEE802 15工作组进行 该标准有两个 一个是极短程 极高数据率的802 15 3a协议 另一个是较长距离 低数据率的802 15 4a协议 无线数字家庭网络研究现状 超宽带技术相对于扩频通信等传统窄带和宽带通信方式而言是一种全新的通信方式 从信号的产生角度看 超宽带技术可以不采用正弦波将基带信号调制到信道上 而采用基带信号直接激励天线发射超短时宽的冲激脉冲 以时域窄脉冲作为信息载体 无线数字家庭网络研究现状 蓝牙技术是另一种目前使用较广泛的无线通信方式 是一种实现无线数据与语音通信的开放性全球规范 其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口 将通信技术与计算机技术进一步结合起来 使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下 能在近距离范围内实现相互通信或操作 其标准工作主要由蓝牙特别兴趣组 BluetoothSIG 完成 传输频段为全球公众通用的2 4GHz免许可证频段 ISM 提供1Mb s的传输速率和10m的传输距离 无线数字家庭网络研究现状 短程无线个域网技术是Zigbee技术 Zigbee是一种最新的短程 低功率 低速率无线接入技术 它工作于的2 4GHzISM频段 传输速率为10 250kb s 传输距离为10 75m 它看起来更接近于蓝牙 但比蓝牙更为简单 具有更低的传输速率和功率消耗 且大多数时间处于睡眠模式 更加适用于那些不需要实时传输或连续更新的场合 如工业控制领域和传感器网络 无线数字家庭网络研究现状 Zigbee的主要支持者联合起来成立了Zigbee联盟 共同推进该技术的进一步发展和应用 该联盟目前已有70个成员 该联盟7个最初的发起企业是 Ember Honeywell Invensys 三菱 摩托罗拉 三星和飞利浦 Zigbee是IEEE802 15 4标准的扩展集 802 15 4工作组主要负责制订物理层及媒体访问控制 MAC 层的协议 Zigbee定义了应用层和安全方面的规范 使得来自不同厂商的设备可以相互对话 其他具有发展潜力的短程无线个域网标准包括 短距通信 NFC WiMedia GPS DECT 无线1394和专用无线系统等 这些技术或基于传输速度 距离 耗电量的特殊需要 或着眼于功能的扩充性 或符合某些单一应用场景的要求 或满足竞争技术的差异化等 文字 ZigBeeAllianceMembers 文字 文字 Promoters 178Participators 各种技术比较 ZigBee无线传感器网络技术应用范围 ZigBeeWirelessControlthatSimplyWorks RESIDENTIAL LIGHTCOMMERCIALCONTROL CONSUMERELECTRONICS TVVCRDVD CDremote securityHVAClightingcontrolaccesscontrollawn gardenirrigation PC PERIPHERALS INDUSTRIALCONTROL assetmgtprocesscontrolenvironmentalenergymgt PERSONALHEALTHCARE BUILDINGAUTOMATION securityHVAClightingcontrolaccesscontrol mousekeyboardjoystick patientmonitoringfitnessmonitoring Consumer应用 社区应用 工业应用 家庭应用 SensorNetworkPeople TrackingSystemArchitecture BaseStation Beacon Router Coordinator TreeLink Cluster StarLink Badge Broadcast 技术之一 HomeRF HomeRF技术的现状 2001年HomeRF的普及率已经降至30 市场优势逐渐丧失 2003年 推动HomeRF技术规格的HomeRF工作小组宣布停止一切运作 HomeRF工作小组已经要求將该技术的官方网站予以卸下 並且表示 HomeRF已经沒有任何商业作为 也沒有任何组织继续推动新技术的发展 包括 Intel在內的HomeRF支持厂商也转而投向IEEE802 11b标准 HomeRF技术在市场中节节败退 最终不得不宣布退出无线家庭网路市场的角逐 技术之二 HomePNA HomePhoneLineNetworkingAlliance书上P87页 HomePNA HomePNA和xDSL利用普通电话线高速Internet接入和LAN 局域网 互连等 HomePNA2 0传输速率10Mbit s HomePNA基于频分复用技术 利用5 5 9 5MHz之间的频段 数字家庭网络设计举例 技术需求与产品需求 面向服务的平台 协同提供服务 MakeanIPcall DisplayUnit Phonebook CallmanagementSoftwareMining DSPandbroadbandTransparentComputing Content Morecontents 打网络电话 显示单元 电话本 电话管理挖掘程序 更多内容 内容 和宽带透明计算 存在的问题 多个联盟 多种标准国际 DLNA ECHONET国内 闪联 E佳家闪联 联想 E佳家 海尔 存在的问题 横向竞争压力大 产业门槛较低 大量的OEM可以提供类似的服务 国美电器等分销企业自己扶持的品牌的竞争 向上延伸技术壁垒较高 需要长期技术积累 基础产业投资大风险大 管理人才缺乏 家电普适计算的趋势 家电设备普适计算化计算需求无所不在计算功能无所不在计算资源扩大 计算成本降低本地计算资源网络计算资源硬件成本降低资源管理复杂 管理成本上升异构资源大量存在挖掘 Data Software Resource Mining 不成熟没有系统结构 解决方案 数字家庭网络平台 系统解决方案 建立一个系统平台 数字家庭面向服务与应用的开发平台运营平台 仿真平台集成与维护平台 平台结构 MiddlewareDrivers LibraryDatabaseSever DefinitionPolicing GUI Smart Standard 标准 服务整合 定义政策 图型用户界面 智能 服务操作 服务开发 中间件驱动 配件开发 配件测试 配件管理 图书馆数据库服务器 1 家庭内部系统 服务提取 数字电视 标准所有者 客户端 个人对个人 中间件成员 家庭电脑 核心承诺 手机 客户端 客户端 客户端服务提取 个人对个人服务提取 个人对个人 个人对个人 中间件成员 中间件成员 中间件成员 家庭网关 2 家庭内外综合系统 服务创造商和内容提供商 顾客信息 通信 娱乐 家居保安 能源管理 家电控制 灯光控制 灌溉控制 或其它 服务聚合者和网关管理员 移动电话连接卫星 嵌入式服务网关 互联网 服务网关 家电 电脑 消费电子 电视 家庭网络 电话 保安 感应器 能源表 服务提供商 组织 网络 设备 服务 标准 平台Process MarketingEngineering OrganizationProposals SystemSimulation ApprovalforDevelopment IntegrationTesting ReleaseStandardization MaintainUpgrade 建立流程 批准开发 系统模拟 综合测试 架构建议 公布标准化 市场推广工程 维护升级 数字家庭网络功能 将服务抽象化组织 调度资源 4C 实现设备的管理互联互通透明计算 功能1 服务抽象化 作用 组织服务 定义服务 可以更好的实施服务服务的概念Aserviceisorisnotaprocess 服务是或不是一种过程 Aserviceisorisnotaobject 服务是或不是一种目标 Whatisaservice 什么是报务 可能是object object的组合 process process的组合Howtodescribeaservice 如何描述是一项服务 Identifications attribute variable interface action timing scheduling 证明属性多样性界面行动时机时间安排resource tasks sub service 资源任务配套服务 功能2 组织 调度资源 作用管理资源 更好的利用资源资源的类型 内涵Computingresources hard soft 计算资源 硬 软 Communicationresources channels 通信资源 渠道 Consumerequipmentresources顾客设备资源Contentresources内容资源资源使用方式PtoP模式个人对个人模式Client Server模式客户端 服务器模式自用 功能3 实现设备的管理 作用可以保证设备安全 高效的运行 保证系统中component的正确和有效性 设备 管理内容Security安全DiagnosisandTroubleShooting诊断和解决问题Alarmmanagement警报管理Configurationmanagement配置管理Broadcasting registration disengagement广播登记脱离Component设备 功能4 互联互通 作用实现各种设备的自动发现 配置简单 使用容易实现资源共享使高层在工作时不必考虑低层的联通性内容Interfacedefinition界面定义Classofconnections各层的联通Statusofconnections联接状况Real timeandstatic实时和静态Findandsearchstrategy寻找和搜索策略Handshakingprotocol握手协议Maintenancemethod维护方法BreakupandTerminationacti