家庭网络系统及其实现.pdf

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1、网络工程 家庭网络系统及其实现 上海电信技术研究所(上海200122) 肖 晴 同 济 大 学 物 理 系(上海200092) 鲁鸿雁 摘 要 家庭网络(home network)系统是IT业界关注的热点之一。文章首先概括了家庭网 络的功能与组成,提出了家庭网络的参考模型和家庭网络的 “神经中枢” 家庭网关的结构。然 后在介绍家庭网络有关技术标准的基础上,提出了家庭网络的两种模式,并指出下一步的研究方 向。 关键词 家庭网络 家庭网关 参考模型 智能终端设备 随着Internet、 个人电脑及各种数字化家用设 备纷纷走入家庭,家庭内部联网和高速接入已成为 人们日渐关注的问题。虽然,用于企业网的

2、某些传 统的局域网技术也可用于家庭网,但家庭网仍面临 许多企业网中不曾遇到的设计和技术问题,如用户 的联网技术必须价格低廉、 容易安装和使用,不需很 多维护知识;家庭内部布线必须采用 “无新布线”,即 用户入住后就不应破坏用户家庭的装修环境;家庭 网不能像企业网那样有专门的网络管理员,等等。 因此,研究家庭网络系统,探讨其组成模式、 制定相 应的技术标准,具有极大的现实意义和商业价值。 1 家庭网络的功能与组成 1. 1 家庭网络的功能 家庭网络以可灵活配置的家庭总线系统为基 础,连接各种家庭信息终端和家用电器,提供集成的 音频、 视频、 计算、 通信、 控制和管理等功能,使信息 在家庭内以及

3、家庭与外部网络间充分流通和共享。 总的说来,家庭网络具有以下一些功能。当然, 随着应用和需求的发展,还会有新的功能加入。 (1)信息共享功能:共享Internet访问;共享微 机外设;共享文件和应用。 (2)通信功能:完善的普通电话/传真功能、In2 ternet浏览、 收发E2mail ,以及可视电话、IP电话/ IP 传真功能等。 (3)家庭娱乐功能:包括视听娱乐及游戏(可玩 电脑游戏或网络游戏,亦可将外部游戏卡或游戏机 接入家庭网络 ) , 娱乐信息源可以在本地、 也可以从 网上获取。 (4)家庭电子商务功能:股票信息及交易、 网上 付费、 网上购物等。 (5)家庭自动化功能:包括家庭信

4、息采集(如 水、 电、 煤计数,温度、 空气指标信息采集)、 家庭环境 控制(空调、 照明等设备的自动调节或远端控制)、 家 庭保安监控等。 (6)其他增值功能:更多的增值功能可通过加 载各种软件来实现。例如,完整配置的家庭网络在 初期可以作为社区公共服务站,为社区居民提供公 共服务。 1. 2 家庭网络参考模型 家庭网络的参考模型如图1所示。 图1 家庭网络参考模型 1. 3 家庭网络的组成 对照家庭网络参考模型,家庭网络的主要组成 包括以下几部分。 (1)家庭布线系统 包括固定配线箱、 可移动配线箱、 可灵活放置多 电子技术2001年第4期 上海西门子通信电源公司 (021)5854 30

5、80207(253)61 种设备的综合机柜以及各种接插件等,要求提供足 够的带宽。拓扑结构可灵活配置成总线型、 星型或 菊花链型,布线媒体、 接插件、 可连接设备的种类是 丰富多样的。 (2)家庭网关(home gateway ,HG) 家庭网关用于连接家庭网络与公共网络,家庭 网络通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸和扩 充到家庭。作为能够适应未来需求的综合家庭网络 设备,HG不仅包括现有的各种网络接口单元 (net interface unit , NIU) ,如ISDN NT/ TA、56K Mo2 dem、Cable Modem、xDSL Modem等 ) , 而且还应具 备按照未来需

6、求设计的软件功能,如:媒体转换、 速 率匹配、 地址变换、 信息过滤、 室内网络复用连接以 及系统管理等功能。从其功能来看,家庭网关就是 一台家庭网络路由器,可以由软件来实现。 (3)户内网络接口单元(premises network inter2 face unit ,PNIU) PNIU将原本可以独立工作,但无法与家庭网 络直接连接的设备连至家庭网络上,使其成为家庭 网络的终端。例如,电视机机顶盒(set top box , STB) 是最常见的一类PNIU ,可作为电视解码器, STB从网络接收MPEG分组信号,并进行转换使其 可以在模拟电视机上进行放映,从而把本地的电视 机及其他音频/

7、视频设备和家庭网络连接在一起。 又如,当PC与家庭内的计算机局域网(LAN)相连 时,计算机网卡相当于PNIU ;当PC要与POTS电 话线路相连时,Modem相当于PNIU。 (4)终端设备 家庭网络中的终端设备分成两类。 第一类终端设备( TE1) :与户内网络有直接的 接口,必须依赖于网络工作。例如,连接于POTS电 话线上的普通模拟电话机、 连接于有线电视线路上 的电视机。 第二类终端设备( TE2) :与户内网络没有直接 的接口,可以不依赖于网络独立工作,如PC。TE2 要与户内网络连接,必须通过户内网络接口单元 PNIU。 目前正在逐渐成为热点的针对家庭应用的智能 终端设备,即所谓

8、的 “信息家电”,就是要将TE2与 PNIU的功能集成在一起。比如在传统的电冰箱、 微波炉等家电上集成网络接口单元,使它们也能连 入家庭网络之中;甚至将几种不同类型的TE2与 PNIU集成在一起,如以PC为基础,采用模块化结 构,集成电话、 电视、 电脑的功能,具有方便实用的输 入输出手段。 研制各种智能终端设备,方便最终用户连接、 使 用家庭网络,是家庭网络研究的重点之一。 (5)外围设备 是指与终端设备(TE1或 TE2) 连接在一起,提 供多样化的输入输出手段的设备。如打印机、 扫描 仪、 显示器、 遥控器、 手写输入板、 语音识别装置、 游 戏操作杆、 音响系统、 鼠标、 键盘等,部分

9、外设资源可 以通过网络为多个终端共享。 (6)软件系统 家庭网络中软件系统的作用是:管理和维护家 庭网络以及家庭网络中的家庭网关和终端设备,并 提供各种增值功能。 开发功能多样、 简单易用的软件系统是推广家 庭网络应用、 启动家庭网络市场的最佳切入点。 2 家庭网关 由家庭网络的参考模型,可知家庭网关是家庭 网络的 “神经中枢” 。家庭网关的结构示意图如图2 所示。 图2 家庭网关结构示意图 家庭网关由两大主要部分组成:与公共接入网 的接口和对多个LAN节点分发数据的接口。一方 面它通过网络接口单元NIU实现和公共接入网的 联接,即通过有线方式的 TP( 双绞线)、 CX( 同轴电 缆线)、

10、PL ( 电力线)或光纤,无线方式的卫星等接入 公共网络;另一方面它通过LAN接口,与家庭网络 联接。 LAN接口是家庭网关的一个重要部分,它应具 有以下的功能: (1)网关管理:家庭网关的配置管理; (2)家庭网络路由器:完成不同传输介质和网 络拓扑结构间信号的转换; (3)家庭网络桥接器:实现不同类型网络(如总 线型以太网和令牌环网,有线网络和无线网络)之间 的联接; 62(254)上海欣方智能系统公司 (021)3605 45106300 电子技术2001年第4期 (4)终端自动识别:自动识别联接在家庭网络 上的所有装置; (5)家庭仪表和设备控制:实现对各种仪表,如 水表、 电表、 煤

11、气表信息的获取并能发出适当的指 令;实现对空调和室内外环境的数据采集和执行相 应的操作; (6)共享文件:实现家庭网络内的数据和应用 程序的共享; (7)共享微机外设:实现对微机外设,如打印 机、 扫描仪等的共享; (8)共享Internet访问:通过家庭网关的控制, 实现家庭内的所有信息终端能同时共享Internet访 问。 3 家庭网络的有关技术与标准 家庭网络的技术标准分为两大类,一类是网络 布线、 网络传输方面的标准,不妨称之为 “底层标 准”;另一类是终端设备接入、 网络管理方面的标准, 不妨称之为 “高层标准” 。 3. 1 家庭网络的 “底层标准” (1) HomePNA。Hom

12、ePNA主张利用家庭中已 有的电话线进行联网,组网成本较低。HomePNA 标准采用频分多路复用方式,能使标准电话线同时 传送语音、ADSL和网络信号而不相互影响,传输速 率为1Mbit/ s ,10Mbit/ s的标准正在制定中。目前 已有基于HomePNA标准的产品问世,如Intel公司 的AnyPoint、Tut Systems的HomeRun。 (2) HomeRF。HomeRF主张采用无线方式联 网,产品能提供可移动性,但组网成本较高。目前已 制定了SWAP(shared wireless access protocol)规范, 传输速率有1Mbit/ s和2Mbit/ s两种。 (

13、3) IEEE 1394。是一种面向宽带宽设备的高 速数据传输串行总线标准,支持可视化消费电子产 品及高速数据存储设备。IEEE 1394a规范的数据 传 输 速 率 为100Mbit/ s、200Mbit/ s、400Mbit/ s、 800Mbit/ s ,适用于消费电子设备;IEEE 1394b支持 的数据传输速率将达到1. 6Gbit/ s、3. 2Gbit/ s ,适用 于高吞吐数据量数据的传输。 (4) USB(Universal Serial Bus)。是面向低速设 备的标准。目前的USB1. 1标准支持的传输速率为 12Mbit/ s ,可连接多达127个外设,价格比IEEE

14、1394更为低廉,已为个人计算机与外设普遍采用。 正在制定的USB2. 0标准将向下兼容USB1. 1 ,数据 传输速率将达到120240Mbit/ s ,预备支持宽带数 字摄像设备及下一代扫描仪、 打印机及存储设备。 (5) HAVi。Sony等8大消费类电子公司一同 制订了HAVi (home audio video interoperability ,家 用视听交互操作)标准,积极推广家电化家庭网络。 HAVi适用于在IEEE 1394的基础上与家庭网络连 接的音视频设备,这一标准使来自不同生产厂商的 数字音视频设备的交互连接和操作成为可能,因此 将给消费者提供更多的便利。 (6) Bl

15、uetooth。Bluetooth是1998年5月提出 的一种短距离无线通信协议。Bluetooth协议规定 的有效无线通信距离为10100m ,数据传输速率为 1Mbit/ s ,能同时支持语音和数据传输,其产品具有 小尺寸、 低功耗和低价格的优点。Bluetooth的最初 目标是简化小型网络设备(如移动PC、 掌上电脑、 手 机)之间以及这些设备与Internet之间的通信,其实 其应用也可以拓展到家用电器、 汽车电子、 消费电子 以及办公设备中。 与家庭网络有关的底层标准还有现场总线标准 Lonworks,适用于电力线联网的电力线通信系统 (powerline communication

16、 systems)标准和视频电子 标准协会(VESA)设立的一系列标准等。 3. 2 家庭网络的 “高层标准” 主要有Sun公司的Jini和Microsoft公司的 UPnP(通用即插即用标准)。高层标准定义了家庭 网络对网络中各设备的发现过程、 网络控制中心如 何对各设备发布命令及如何接受各设备发出的事 件。依据高层标准编写家庭网络中智能家庭网关和 智能终端设备的管理软件,使得各种设备能很容易 地被接入一个家庭网络,并置于家庭网关的统一管 理之下。 4 家庭网络的设计与实现 4. 1 家庭网络的两种模式 根据功能需求、 用户对象和技术条件的不同,本 文将家庭网络的设计分为初级模式和高级模式两

17、种。 4. 1. 1 家庭网络的初级模式 家庭网络的初级模式如图3所示。其特征是: 以Cable或ADSL宽带接入方式为主,但为了充分 利用家庭中原有的模拟电话和视听终端设备,同时 也保留了原有的双绞线或单向同轴电缆接入。家庭 中原有的视听终端设备通过接口设备(如电视机机 顶盒)连入家庭网络,接口设备相当于家庭网络参考 模型中的PNIU。家庭网关的功能弱化,并由NIU (如图3中的CM和ATU2 R) 和PNIU共同承担。 家庭网络初级模式中有待解决的主要问题是研制各 种接口设备和智能终端设备。 电子技术2001年第4期 上海西门子通信电源公司 (021)5854 3080207(255)63

18、 图3 家庭网络的初级模式示意图 4. 1. 2 家庭网络的高级模式 家庭网络的高级模式如图4所示。其特征是: 接入方式多样,终端类型丰富,同一类型的终端数量 增加(如家庭中会拥有多台可联网的PC) ,信息充分 共享。因此家庭网关结构较为复杂,完成的功能十 分繁重,通常需要由专用设备承担。该模式家庭网 络的实际应用尚需大量的研究和开发工作。 图4 家庭网络的高级模式示意图 4. 2 今后的主要研究方向 配合家庭网络的设计和实施,主要可在以下几 方面展开研究和开发。 4. 2. 1 家庭网络布线系统 在家庭网络的布线上,需考虑新建住宅和已有 住宅两种情况。新建住宅,可以根据投资情况和用 户要求灵

19、活设计,选择网络结构和传输介质。已有 住宅,一般基于已有的电话线网络改造成家庭网络。 家庭网络使用的传输介质,在初级模式中,主要 是同轴电缆和双绞线,有时会采用一定数量的光纤 (在新建住宅的布线中)。在高级模式中,同轴电缆、 双绞线和光纤会共存,并且光纤最终将取代前两者。 由于将传统家用电器纳入家庭网络,电力线介质也 会存在。 4. 2. 2 智能终端设备的研制 智能终端设备应在保留传统终端设备各种功能 (如通信功能、 视听娱乐功能、 家用电器功能)的基础 上,增加户内网络接口单元(PNIU)的功能,并拥有 遵循同一高层标准的软件API ,以保证智能终端设 备间的充分信息共享。开发智能终端设备

20、的主要目 的,是方便用户连接、 使用家庭网络,为用户提供友 好的交互界面,为进一步开发家庭网络上丰富多彩 的应用提供基础。 4. 2. 3 软件系统的开发 易用、 稳定、 个性化的软件系统,是家庭网络能 赢得用户并真正发挥作用的关键。家庭网络中的软 件可分为三部分: (1)基于家庭网络的软件:实现家庭内部联网 管理功能,以及和公共接入网络互连的功能。家庭 网关上主要运行这类软件。 (2)基于家庭网元的软件:运行在家庭网络内 的终端上,执行相应功能的软件,包括操作系统、 系 统管理软件等。这类软件与终端的硬件系统结合较 为紧密,一般为嵌入式软件。 (3)基于各类应用的软件:是家庭网络产品能 否成

21、功、 市场能否启动的关键因素,开发潜力巨大。 主要包括:浏览器软件、 安全加密软件、 视频编解码 及播放软件、 游戏软件、 家庭管理软件、 家庭付费软 件、 教育软件、 小区物业管理软件、 社区服务软件。 设计应用软件需要考虑家庭网络与公共网络的 连接方式,因为大部分软件都分为信息提供端(或服 务器端)和用户端两部分。家庭网络与公共网络的 连接有两种模式:永久连接模式和终端服务器模式。 在永久连接情况下,家庭网络的安全、 如何充分利用 公网资源将是需要考虑的问题。 参考文献 1 OSGI. Open Services Gateway Initiative (OSGI) Specifica2 tion Overview (Version 1. 0) . 2000. 1 2 HomePNA.TheHomePhoneline Networking Alliance White Paper. 1998. 6 3 Telecommunications Industry Association Engineering De2 partment.MultimediaPremisesReferenceArchitecture Draft 1. 0. 1995. 9 64(256)上海欣方智能系统公司 (021)3605 45106300 电子技术2001年第4期