基于智能网关的数字家庭网络系统架构设计

第第页基于智能网关的数字家庭网络系统架构设计数字家庭网络通过家庭网关将公共网络功能和应用延长到家庭，并以可灵便配置的家庭智能布线系统，衔接多种多样的终端设备，提供集成的话音、数据、多媒体、控制和管理等功能，达到信息在家庭内部终端与外部公网及家庭内部终端之间的充分流通和分享。其具备以下功能：

家庭网关可同时衔接多个或不同种类的接入技术，如支持adsl和局域网接入。在系统功能上能够同时处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。

家庭网络分为三部分：家庭控制网、数字数据网、家庭a／v网，这三种网络在传输速率、带宽需求、传输介质、平安要求以及qos(网络服务质量)要求上均有显然差异，因此可以用法多种技术来构建，家庭控制网以采纳基于x-10协议的电力线载波技术为传输介质；而数字数据网、家庭a／v网以无线为传输介质，采纳超宽频uwb技术，以极低功率的信号实现114mb／s的传输速率，满足多媒体业务对带宽的需求。

支持接入技术，用户通过家庭网关内置的webserver功能控制高频头选台，并通过多媒体实时捕获模拟数据流，编码转换为符合数字标准(如mpegl)的数字媒体流，经wlan传输到各多媒体播放终端，实现家庭内部各种信息终端的高速信息分享。

家庭网关能桥接接入网qos和家庭网络的qos，保障拜访的内容不依靠于用以传送内容的硬件和传输机制；通过模块的远程下载功能，灵便地支持最新技术，使得系统很简单升级，以支持将来新兴业务。

通过家庭网关内置的webserver功能实现远程对各种家用电器设备的控制、调整和监测，并通过ssid和vlan技术保证用户控制指令和数据的平安性。

家庭网关可通过intranetvpn接入公司的vpn网关，实现intranet、远程办公。

1．2数字家庭网络系统架构设计

以plc电力线载波技术和uwb无线通信技术为基础，开发基于智能网关的数字家庭网络系统，采纳家庭网关将家庭数据通信网、家庭a／v网、家庭控制网有机的结合在一起，以标准c和java作为开发平台，采纳rc232434作为嵌入式系统核心cpu，应用嵌入式操作系统作为软件开发平台，采纳多ssid技术、vlan技术和vpn技术实现智能路由，并提高qos品质，通过家庭网关服务器将小区网络信号、射频信号、电话信号、音视频信号、家电控制信号同时纳入到家庭网络中，实现处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。数字家庭网络系统架构系统框图1所示。

1．3嵌入式家庭网关架构框图及分析

家庭网关架构框图(2所示)有7个模块：

(1)rc32434cpu核心模块，是家庭网关最为核心的部分，以linux操作系统为核心，管理、协调各周边模块。主要实现网络协议转换、智能路由、qos动态配置、网络平安等功能；

(2)以太网接口模块是管理多个以太网接入端口，负责实现轻量级tcp／ip协议栈；

(3)adsl电话接口模块，实现电话信号的数字化，并通过uwb举行传输，同时可将宽带adsl信号解调后举行广域网服务端口和局域网网络服务器之间的转发规章映射；

(4)射频接口模块，内置高频头，对高频电视信号举行处理，具备选频、放大及变频功能，并通过多媒体编码器实时捕获模拟数据流，编码转换为符合数字标准(如mpeg1)的数字媒体流；

(5)plc电力线载波接口模块，通过pci总线与rc32434cpu举行信息交互，将外网对家电控制信息通过电力线载波的方式传输给各家电终端，此模块实现采纳正交频分复用(ofdm)调制和前向纠错等核心算法；

(6)uwb无线通信模块，通过pci总线与

rc32434cpu举行信息交互，将宽带网络数据和多媒体音视频流通过超宽频uwb传输，同时接收pc和媒体终端的流媒体，通过网关转发到外网或内网；

(7)webservet管理模块是家庭内部各种智能应用终端的信息和状态均以网页的形式通过web服务器传给远程监控用户。

系统引入vpn技术，远程用户可以通过accessvpn接入家庭网关，实现对家庭网络的平安远程拜访和控制。家庭网关可通过intranetvpn接入公司的vpn网关，实现intranet、远程办公。

2数字家庭网络系统技术原理

2．1plc技术原理

plc利用1．6～30mhz频带范围传输信号。在发送时，利用gmsk或ofdm调制技术将用户数据举行调制，然后在电力线上举行传输；在接收端，先经过将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。plc技术主要包括电力线网络单元(pnu)，它负责控制电力线网络并从单元配电网集成话务，通过适当的电信干线接口，pnu再将话务传至馈电网络。按照馈电网络中用法的不同介质，pnu也可转换来自低压配电网的数据话务。

2．2uwb技术原理

uwb技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲打算了信号的带宽很宽，接收机挺直用一级前端交错相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。uwb技术采纳脉冲位置调制ppm单周期脉冲来携带信息和信道编码，普通工作脉宽为0．1～1．5ns，重复周期在25～1000ns。

3系统创新内容

3．1应用创新

3．1．1基于rc32434的+linux的系统平台

本系统采纳的rc32434interprise集成通信处理器，其采纳32位mips4kccpu，支持标准媒体自立接口(mii)及简化标准媒体自立接口(rmii)，在此硬件平台上移植linux，并且开发了多协议应用协议库和设备驱动程序，mips+linux系统平台具有良好的稳定、移植性、优秀的网络功能、完整的tcp／ip协议栈、完备的对各种文件系统的支持，以及标准丰盛的api，其内核紧凑，编译后小于512kb。

3．1．2多ssid和vlan技术应用

家庭网关可采纳无线传输方式(如通过802．1lx)举行家庭内部组网，引入ssid技术可以将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每一个子网络都需要自立的身份验证，防止未被授权的用户进入本网络，而且采纳多ssid技术可以实现虚拟ap功能。不同的ssid可以采纳不同的认证方式及拜访权限，也可映射为不同的vlan，实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离。

3．1．3强型x-10的总线技术应用

家庭控制网采纳x-10的总线传输技术，性价比高、兼容性、可扩充性强等优点被广泛应用于家庭控制网络，但因为其是在电力线中传扬数据，抗干扰能力较差，为了解决此问题需要对x-10协议举行改进和扩充，使其具用较强的抗干扰特性，且兼容标准的x-10协议。

3．1．4vpn技术应用

将vpn技术应用于家庭网络，可采纳accessvpn和intranetvpn两种技术。远程用户可以通过accessvpn接入家庭网关，实现对家庭网络的平安远程拜访和控制。家庭网关可通过intranetvpn接入公司的vpn网关，实现intranet、远程办公。

3．2技术创新

3．2．1家庭网关的多业务、多种端口技术

家庭网关应用法户能衔接家里尽可能多的设备。网络运营商可利用这些设备捆绑多种业务，控制从基础设施到终端设备等家庭网络中全部设备上的业务。因此在硬件上采纳多端口设计计划，具有rj45，rjll，plc，wlan和射频多种接口，这样可通过网关便利衔接如iptv、网络嬉戏终端、ip电话终端等多种终端设备。在软件上采纳实时多任务操作系统和模块化设计思想，支持模块的远程下载更新，以支持将来新兴业务的媒体设备，使得家庭网关成为服务提供商与用户之间最重要的接口。

3．2．2三网合一内部网络协议转换技术

家庭网关衔接家庭数据通信网、家庭a／v网和家庭控制网，其在网络协议、传输码流、网络服务质量以及传输载体上都有较大差异，如何实现网络异构，保证数据传输的平安，应由家庭网关内部网络协议转换模块完成，并且通过ssid和vlan技术实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离，提高用户数据的平安性。家庭网关的物理接口可支持uwb和plc两种传输方式，为用户提供便捷的接入方式，如控制网可采纳基于x-10协议的电力线载波传输模式，移动媒体终端采纳uwb传输技术，保证对带宽的需求。

3．2．3qos(网络服务质量)动态配置技术

qos的实现需要在家庭网关上实现外部网络和家庭网络之间的带宽映射分配机制，将外部网络中业务流根据家庭网络状况举行重新映射分配，需要在家庭网关上实现带宽的动态预留和分配功能，家庭网关需要同时实现外部网络和家庭网络的服务质量机制，保证端到端的qos。另外，需要对家庭中各个终端的qos能力举行定义，制定终端设备和家庭网关之间的qos信令机制。

3．2．4网络数据*滤技术

网络ip报文的ip报头及所承载的上层协议(如tcp)报头的每个域包含了可以由路由器举行处理的信息，可以由这些域的各种各样的组合形成不同的规章。家庭网关提供了基于接口的*滤，即可以在宽带上行口的进出两个方