家庭网络实现方案的研究.pdf

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1、家庭网络实现方案的研究 夏 华 ( 同济大学电子信息工程学院 上海 200092) 【 摘要】分析了家庭网络连接技术的发展状况, 从“ 有线” 和“ 无线” 两个方面探讨了两大类家庭网络连接的实 现方案, 介绍了各种实现方案的拓扑结构, 并且在各种方案之间进行了比较, 显示了各种方案的优势和不足, 最后, 探讨了家庭网络连接技术的未来发展趋势。 关键词: 家庭网络 连接技术 1 引 言 随着数字化进程的日益加深, 人们的家居生活 越来越明显地印上了“ 网络” 的烙印, 最突出的表现 就是家电开始走向数字化、 网络化, 即我们所称的家 庭网络。 据统计, 1999 年美国安装家庭网络的约占8 万

2、户, 而估计在 2004年时可高达 52 万户, 而且数码 影音装置的市场将有45 亿美元的潜力。 以这样的发 展趋势来看, 电脑将与所有的家电设备连线沟通, 预 计未来将有近 1 亿的家庭装设家庭网络, 而每户安 装与购置的费用约在 1 0001 500 美元上下, 可见 其可观的市场发展潜力。家庭网络设备不外乎提供 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 通或简单的控制信息, 要达到信号间的相互流通, 就 必须将家用设备连结成网络的型态。一般的家庭设 备皆属于简便的运算程序, 并不需要运用繁杂的功 能来处理。 所以, 建立家庭

3、网络的设置较一般公司的 网络设置有所不同, 家庭网络最重要的是必须将设 备间彼此串联及进行相关的运用。许多设备制造商 提出了家庭网络连接的一些解决方案, 然而至今尚 未有正式的统一标准问世, 各公司仍然各行其是。 勿 庸置疑, 谁掌握家庭网络的技术标准, 谁就能在这一 飞速发展的巨大市场中独占鳌头。几家大的厂商如 Intel 、 IBM 、 Lucent 、 Microsoft 、 Compaq以及Sony 收稿日期: 2001- 04- 20 等, 早已涉足这块潜力无穷的领域, 彼此较劲。 当前家庭网络所采用的连接技术可以分为“ 有 线” 和“ 无线” 两大类。有线方案主要包括: 双绞线或

4、同轴电缆连接、 电话线连接、 电力线连接、 IEEE1394 高速串行总线连接等; 无线方案主要包括: 红外线连 接、 无线电连接、 基于 RF 技术的连接和基于 PC 的 无线连接等。 2 有线家庭网络连接技术 有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的 可靠性强, 传输速率高, 而缺点在于网络体积庞大, 灵活性差, 且布线复杂, 主要应用于早期点对点网络 和星形网络的拓扑结构中。 2. 1 双绞线或同轴电缆( 以太网) 这种系统的典型拓扑结构如图 1 所示。 图 1 双绞线或同轴电缆连接的家庭网络 这种连接建立在 IEEE802. 3标准的基础上。 经 30 2001 年 6 月 第 2 期

5、 现 代 有 线 传 输 图 2 铜介质双绞线连接的家庭网络 过了多次修改之后, 该标准实现了在不同的设备制 造商之间的互操作性。基于铜介质的双绞线和同轴 电缆能够实现信号的双向传输, 有着较高的可靠性, 因而被广泛地应用在商业企业中, 成为办公室计算 机和打印机网络的标准选择。建立这样的网络需要 大量的五类电缆( CAT 5) , 造价昂贵, 不易安装。在 某些家庭网络中使用了以太网的形式, 但由于成本 太高和安装维护困难的问题, 极少有人愿意采用这 样的方案来实现家庭网络的连接。 2. 2 铜介质双绞线( 电话线) 这种连接技术的拓扑结构图如图 2 所示。 利用大多数家庭已有的电话线来实现

6、家庭网络 的连接是一个经济实惠的方案。 在一定的条件下, 三 类电缆( CAT 3) 的传输速率可以达到 1 Mbps, 而 且, 据估计, 不久的将来它的传输速率可以达到 10 M。 采用频分复用技术, 可以让使用者在察觉不到的 情况下, 实现数据传输, 语音与 Internet 服务同时工 作。“ 家庭电话网络联盟” HomePNA( Home Phone Network Alliance) 正在开发一系列标准和规范, 解 决利用电话线实现家庭网络设备的互联和互操作性 问题。 虽然这一技术充分利用了现有的资源, 但是线 路在灵活性和带宽方面的限制阻碍了它的进一步推 广。 通常一般的家庭里没

7、有足够的RJ-11接口, 要在 每一个房间或者电话、 计算机和其它设备能够触及 的地方安装插座也会带来技术上和成本上的问题。 而且, 由于电话线路并非为高速数据传输而设计, 其 衰减和阻抗特性也不能很好地控制。 2. 3 交流电力线 这种系统的典型拓扑结构如图 3 所示。 图 3 交流电力线连接的家庭网络 交流电力线可以连接整个房屋的每一个角落, 而且不象某些无线电波或者红外线, 难以穿过钢筋 混凝土地墙壁和地板, 很早就作为家庭网络连接的 媒介。 图 3 显示了一个基于 X- 10 技术的电力线连 接方案, 该方案由电源面板、 智能控制设备和多个组 件组成, 每个组件可以象普通电器设备一样插

8、入电 源插座, 而其他的家电设备就插在那些组件上。 智能 控制设备可以插入家庭中任意一个电源插座, 来控 制插在远程组件上的家电设备。 利用X- 10 技术实 现的家庭网络连接, 其数据传输有很高的可靠性。 但 是, 由于电力线本身的噪声和信号输送能力有限, 这 种技术不适合数据的高速传输, 而且也没有任 何标准来保证设备之间的互操作性。 3 无线家庭网络连接技术 无线系统的典型拓扑结构如图 4 所示。 许多公司和标准化组织正在倡导无线家庭 网络技术( Radio Frequency RF ) , 如 Sony, Di- amond Multimedia System, Proxim, Sha

9、rewave 和 Web gear 等公司纷纷推出了自己的无线家 庭网络产品, 而一些基于无线技术的协议, 如 IEEE802. 11, HomeRF, 蓝牙和标准无线访问协 议 ( SWAP ) 等 也 逐 渐 浮 出 水 面。比 较 有 线 网络而言, 无线网络为可移动设备连入家庭网络提 31 第 2 期 夏华: 家庭网络实现方案的研究 图5 以 PC 为中心的数据网络 图4 无线家庭网络连接技术 供了便利, 连入家庭网络的设备的位置相对灵活, 但 是数据传输的可靠性相对来说较差, 而且通讯的范 围往往受到居室的限制。 3. 1 RF 传输网络组件 无线微波扩频通信技术( spread-

10、spectrum) 在 家庭网络中的使用日益成熟。这一技术提供了高容 量的带宽, 曾被广泛用于军事用途。 其中两种微波扩 频技术的使用较为普遍: 跳频扩频 FHSS( frequen- cy- hopping spread-spectrum ) 和 直 接 序 列 扩 频 DSSS( direct-sequence spread-spectrum) 。 由于频段 不同, 供应商采用的系统不同, 它们之间不能相互操 作。 系统选择至关重要, 一旦用户采用了某一供应商 的系统, 他就很难转向其他的系统, 有时即使在那些 采用了工业标准的系统中也无法通用。 跳频扩频支持 1 Mb/ s 数据速率,

11、共 22 组跳 频图案, 包括 79 信道, 输出的同步载波经调解 后, 可获得发送端送来的信息。 直接序列扩频可在很宽的频率范围内进 行通信, 支持 12 Mb/ s 数据速率, 在发送和 接收端都以窄带方式进行, 而传输过程中则以 宽带方式通信。 由于它内建了纠错功能, 因而提 高了传输的性能, 所以一般不必重新发送数据。 3. 2 基于 PC 或非 PC 的无线家庭网络 基于 PC 或非 PC 的无线家庭网络的拓扑 结构可分为两类: 无中心或对等式拓扑和有中 心拓扑。其结构分别如图 5 和图 6 所示。无中 心拓扑的网络要求网络中任意两点均可直接通信。 采用这种结构的网络一般使用公用广播

12、信道, 而信 道接入控制( MAC) 协议多采用载波监测多址接入 ( CSMA) 类型的多址接入协议。在有中心拓扑结构 中, 要求一个无线站点充当中心站, 所有站点对网络 的访问均由中心站控制。 这里仅列出了两种方式: 一 种是以 PC 为中心拓扑的、 仅有数据应用的家庭网 路; 另一种是以控制器( 非 PC) 为中心拓扑的、 既有 数据又有语音的家庭网路。 3. 2. 1 以 PC 为中心的数据网络 一些软件和硬件提供商提供了家庭网络解决方 案: 通过无线局域网, 使用家用电脑作为中央控制单 元。图 5 示出了一个无线家庭局域网的配置, 其中 PC 充当网络的主角, 它在家庭与 Intern

13、et 之间提供 寻址和路由。 这一直截了当的方式把熟悉的 PC 技术简单地 嫁接到新的家庭网络技术中。它也显示了某些消费 类市场进军大型市场的成功。 以 PC 为中心拓扑的、 仅有数据应用的家庭网路有两个特点: 首先, 家庭网络以 PC 为中心, PC 与外设之间 以无线( 如蓝牙) 的方式通讯, 要求计算机一直处于 开机并且可以进行通讯的状态。它还要求不能在计 算机上运行干扰通讯任务的软件和硬件。某些消费 者可以容忍某些计算机的致命错误和必须重新启 动, 但是他们一般不能容忍计算机通讯的失败, 因为 他们期望网络能够一直顺利地工作。 其次, 以 PC 为中心的家庭网络智能寻址和 PC 相关的

14、家庭网络设备, 例如文件和打印共享、 多人游 戏机以及单独的ISP 账号。 其他的设备如语音通讯、 控制和监视应用程序, 却没有相应的解决方案。 3. 2. 2 基于控制器( 非 PC) 的数据语音家庭网络 图 6 示出了在今天的市场可以见到的一个家庭 网络集成系统的使用。 32 现 代 有 线 传 输 2001 年 图 6 基于控制器( 非PC) 的数据语音家庭网络 图中, 基于微处理器的数字开关扮演着无线通 讯服务器的角色。在整个家庭网络中传递路由语音 数据。 通过一个功能强大的板载 RF 收发器, 它还能 够为家庭网络传输设备传输信号。收发器是基于数 字扩频专利技术, 能够在几百英尺的范

15、围内有效地 传递信息。 图 6 中所示的控制器能够为家庭网络提供宽 带的数据和语音服务。它是网络传输设备和无线家 庭网络之间的纽带。网络设备需要无线的或者固定 的有线接口, 这个系统也提供了几百英尺的访问能 力。无重新布置的限制。 基于控制器的数据和语音家庭网络系统有 4 个 独特的功能区域: 家庭本地网络可以把室内所有计算机构 成一个易于安装的局域网, 可以共享计算机文件、 打 印机和磁盘驱动器, 可以通过无线以太网支持多人 电脑游戏和 TCP/ IP 局域网。 Internet 网关控制器提供 Internet 网关 寻址和路由功能, 使所有的计算机共享一个 ISP 账 号和连接。 利用一

16、个 56 kbps, 128 kbps, 或者更快的 Modem, 所有用户可以同时在网上冲浪。 无线语音网络每部无绳电话可以查看和 控制 4条 POTS( plain old telephone service) 线, 而 同时计算机仍然可以在局域网中使用。电话显示器 可以使用户看到呼叫者的 ID 号和语音状态信息, 实时地对呼叫管理作出决定。 传统的有线POT S网络所有家中的电 话线都连接到控制器上。他们被分配到无绳电 话或者内置于收发器中的有线 RJ-11 电话接口 中。 基于非 PC 的交换中心( 图 6 中的控制器) 是一个应用软件, 它使得新的网络需求能够在 没有大的变化的前提下

17、得到满足。 4 展 望 家庭网络技术是集计算机技术、 建筑和供 应商于一体的综合技术。消费者将会要求家庭网络 系统应该能够管理、 监视以及控制家中的一切: 室内外的数据和语音通讯; 电子娱乐设备; 膳食服务用具; 家庭维护设备; 家庭环境系统; 家庭安全设备。 一个成功的家庭网络系统提供商必须开发向上 兼容的能力, 一个中央控制器( 微处理器, 交换机或 数据存储设备) 能够察觉家庭网络中的事件并且作 出反应对于将来的产品创新是至关重要的。 总之, 随 着适用于家庭网络的产品价格的逐渐下降, 相应软 件的逐渐成熟, 无疑, 具有高速传输能力和高度灵活 性的家庭网络连接方案将在未来市场受到消费者

18、的 青睐。 参考文献 1 杨思忠, 刘锦德, 骆志刚. 家庭网络及相关技术. 计算机应用, 2000, 20( 7) 2 C. J. Mathias. Wireless L ANs Getting to Interoperability R . WL I Forum White Paper, 1999. 3 G.Lawton.New T echnolog ies T ake the Network HomeJ . IEEE Computer, 1999, ( 3) : 114 4 Science And Technology Of Household Electric Appliance, 2000, ( 6): 3032 5 Amitava Dutta- Roy. Networks for homes. IEEE SPECT RU M, DEC. 1999, 2633 33 第 2 期 夏华: 家庭网络实现方案的研究