構(gòu)建廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)及挑戰(zhàn)

李明先，嚴(yán) 春

（四川九州電子科技股份公司，四川 綿陽 621000）

何為家庭網(wǎng)關(guān)，簡單地說，家庭網(wǎng)關(guān)就是連接運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和用戶家庭網(wǎng)絡(luò)的樞紐。從物理形態(tài)來講，家庭網(wǎng)關(guān)下行必須提供多接口，連接不同的業(yè)務(wù)終端。而由于運(yùn)營商接入網(wǎng)絡(luò)接口的多樣化，家庭網(wǎng)關(guān)需要能夠支持不同的上行接口，以跟進(jìn)寬帶網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。

隨著三網(wǎng)融合的不斷推進(jìn)和深入，基于電信網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)關(guān)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中得到大面積的使用。但是針對(duì)廣電網(wǎng)絡(luò)，基于廣電現(xiàn)有的同軸網(wǎng)，如何更好地利用廣電同軸網(wǎng)的資源，構(gòu)建廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)，目前還沒有一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的、得到大范圍使用的家庭網(wǎng)關(guān)方案。

本文將結(jié)合廣電實(shí)際，探討構(gòu)建廣電系統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)的組成及面對(duì)的挑戰(zhàn)。

1 如何構(gòu)建廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)

廣電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要新的家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)以便讓用戶能連接家里盡可能多的設(shè)備[1]。運(yùn)營商可利用這些設(shè)備捆綁多種業(yè)務(wù)，并控制從基礎(chǔ)設(shè)施到終端設(shè)備等家庭網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備上的業(yè)務(wù)。目前，電信運(yùn)營商已經(jīng)有成熟的家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)和家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。廣電可在此基礎(chǔ)上，結(jié)合廣電系統(tǒng)自身的特性，衍生出新的家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，產(chǎn)品包括光纖或同軸的接入，音視頻解碼，LAN，WiFi或PLC的家庭組網(wǎng)等功能，可以方便地與家庭的電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備互聯(lián)，具體如圖1所示。這里從接入方式、音視頻解碼、家庭組網(wǎng)等幾方面分別闡述。

1.1 接入方式

在廣電系統(tǒng)，很多地方都進(jìn)行了雙向改造，主要都是采用EPON+EoC的方式[2]，因此，家庭網(wǎng)關(guān)的接入方式主要有光纖接入和同軸電纜接入兩個(gè)選擇。

光纖接入主要面對(duì)FTTH的方式，家庭網(wǎng)關(guān)通過光纖直接與前端的OLT設(shè)備連接，能提供雙向100 Mbit/s的寬帶通信，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)的接入。光纖接入方式，將大大簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)，但是也將大大增強(qiáng)前端設(shè)備的投入成本。

同軸網(wǎng)是廣電系統(tǒng)與電信系統(tǒng)最大的區(qū)別。隨著EoC技術(shù)的不斷發(fā)展，目前CLT已經(jīng)能支持300 Mbit/s的寬帶接入，基于C-DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的CMC設(shè)備能提供800 Mbit/s下行，200 Mbit/s上行的數(shù)據(jù)通信帶寬。相信在不遠(yuǎn)的將來，通過同軸電纜，實(shí)現(xiàn)1 Mbit/s或更高的接入帶寬將成為現(xiàn)實(shí)。通過同軸電纜的接入，能很好地利用廣電資源，但是將增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，在管理、維護(hù)上給系統(tǒng)帶來不小的挑戰(zhàn)。

雖然采用光纖或同軸電纜的接入各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)廣電資源的利用也不盡相同，但不管是采用光纖還是同軸電纜的接入方式，都能為用戶提供相關(guān)業(yè)務(wù)開展所需的足夠帶寬。

1.2 音視頻解碼

音視頻解碼，即機(jī)頂盒的相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目及VOD點(diǎn)播的信號(hào)解碼，為用戶提供高清/標(biāo)清的視頻及音頻信號(hào)。

對(duì)光纖的接入方式，由于沒有電纜的接入，在音視頻解碼部分，只能選擇IPTV的解碼方式，通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務(wù)。如前述，同軸電纜的接入也可提供較高帶寬的數(shù)據(jù)通道，因此IPTV的解碼方式適用于光纖和同軸的接入方式。由于IPTV利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，因此IPTV有很靈活的交互特性，因?yàn)榫哂蠭P網(wǎng)的對(duì)稱交互先天優(yōu)勢，其節(jié)目在網(wǎng)內(nèi)，可采用廣播、組播、單播多種發(fā)布方式，可以非常靈活地實(shí)現(xiàn)電子選單、節(jié)目預(yù)約、實(shí)時(shí)快進(jìn)、實(shí)時(shí)快退、終端賬號(hào)及計(jì)費(fèi)管理、節(jié)目編排等多種功能。另外基于Internet網(wǎng)的其他內(nèi)容業(yè)務(wù)也可以展開，如網(wǎng)絡(luò)游戲、電子郵件、電子理財(cái)?shù)取?/p>

對(duì)目前的廣電系統(tǒng)來說，機(jī)頂盒多為DVB-C的制式。采用DVB-C的音視頻解碼方式，對(duì)廣電來說是更加成熟的技術(shù)，且可以更好地利用現(xiàn)有設(shè)備及系統(tǒng)資源，解放數(shù)據(jù)帶寬，大大降低系統(tǒng)成本，能為用戶提供更多的高清節(jié)目，且成熟的CA系統(tǒng)也為DVB-C的音視頻解碼方式提供了完善的管理功能。

兩者比較來說，IPTV能為用戶提供更多的交互功能和個(gè)性化的服務(wù)，但是占用數(shù)據(jù)帶寬；而DVB-C數(shù)字電視能為用戶提供更高質(zhì)量的音視頻節(jié)目，由于采用廣播的方式，在個(gè)性化服務(wù)上有諸多不足。

1.3 VoIP

VoIP就是將模擬聲音信號(hào)（Voice）數(shù)字化，以數(shù)據(jù)封包的形式在IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上做實(shí)時(shí)傳遞[3]。

目前成熟的VoIP方案多使用軟件DSP，通過硬件加速實(shí)現(xiàn)。通過VoIP技術(shù)，用戶可通過數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)語音通信，而無須通過電話線來實(shí)現(xiàn)。

EPON系統(tǒng)的HGU和SFU設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)VoIP技術(shù)。目前EoC設(shè)備由于傳輸時(shí)延的劣勢，對(duì)VoIP的支持均有限。不過基于DOCSIS技術(shù)的設(shè)備已能很好地實(shí)現(xiàn)VoIP的功能。

1.4 家庭組網(wǎng)方式

目前，比較通用的家庭組網(wǎng)方式為LAN和WiFi，由于本文的針對(duì)性，加入了基于同軸的家庭組網(wǎng)和基于電力線的家庭組網(wǎng)，下面分別做說明。

LAN的方式即通過五類線連接家庭的設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，在不同的家庭網(wǎng)關(guān)中均為標(biāo)配，相對(duì)成熟，數(shù)據(jù)線性轉(zhuǎn)發(fā)，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是布線復(fù)雜，且連接設(shè)備都需要相對(duì)固定，沒有移動(dòng)性。

WiFi的方式，也是常說的無線方式。按傳輸標(biāo)準(zhǔn)分可以有IEEE 802.11a/b/g/n幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11g在2.4 GHz頻段工作，所支持的速度最高達(dá)54 Mbit/s；IEEE 802.11n工作在2.4 GHz或5.0 GHz，最高速度600 Mbit/s，但I(xiàn)EEE 802.11g/n在世界上最為常用。使用WiFi的家庭組網(wǎng)方式，將為用戶提供更加靈活的服務(wù)，且在成本和功耗上也具有一定的優(yōu)勢。目前的智能手機(jī)、Pad及筆記本式計(jì)算機(jī)都具有連接WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的功能，缺點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度受房間布局的影響較大。

基于同軸電纜的組網(wǎng)在國外應(yīng)用較多，比如MoCA以及其他EoC技術(shù)，最初都是基于家庭組網(wǎng)的應(yīng)用的，能為用戶提供足夠的帶寬，且在時(shí)延、QoS等指標(biāo)上均有不錯(cuò)的表現(xiàn)，缺點(diǎn)是需要重新布線，且移動(dòng)性較差。

最后一種是PLC家庭組網(wǎng)方式，即電力線通信，通過家庭的電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。此技術(shù)在國外也得到較多的應(yīng)用，能提供較好的吞吐量、時(shí)延和QoS指標(biāo)，不受房間布局的影響，且通過家庭的電力交接箱實(shí)現(xiàn)不同用戶間的隔離。且無須重新布線，與LAN和同軸的方式相比，具有更多的優(yōu)勢。

1.5 其他

在接入方式、音視頻解碼和家庭組網(wǎng)方式之外，家庭網(wǎng)關(guān)可以提供更多的功能。比如如何更好地利用多功能CPU的資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)目的本地存儲(chǔ)，通過USB接口實(shí)現(xiàn)節(jié)目的本地播放等。甚至也可以利用平臺(tái)的可擴(kuò)展性，通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭家電設(shè)備的控制，從而兼容物聯(lián)網(wǎng)的功能。

2 構(gòu)建廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)面臨的挑戰(zhàn)

針對(duì)廣電家庭網(wǎng)關(guān)的接入方式、音視頻解碼、家庭組網(wǎng)等幾方面，提出了多種方案，但是廣電要如何選擇呢？面臨的挑戰(zhàn)是什么？

2.1 設(shè)備狀態(tài)的固定

相比于電信設(shè)備狀態(tài)的相對(duì)統(tǒng)一，廣電產(chǎn)品在各地使用的狀態(tài)卻呈現(xiàn)出多樣化。對(duì)電信來說，不管是E8-B，還是E8-C，設(shè)備狀態(tài)在各地都比較統(tǒng)一，差異很小，至少各個(gè)省電信的設(shè)備狀態(tài)是完全一致的。但是在廣電，以目前的廣電系統(tǒng)大量采購的機(jī)頂盒設(shè)備來說，各地采用的方案都不盡相同，即使采用同一個(gè)方案，各地設(shè)備也呈現(xiàn)出不同的個(gè)性化需求。

廣電顯然也意識(shí)到這個(gè)問題，目前各省對(duì)EPON，EoC的招標(biāo)中，設(shè)備形態(tài)的統(tǒng)一和互聯(lián)互通的測試逐漸受到重視，并且廣電總局也針對(duì)EPON和EoC設(shè)備頒布了統(tǒng)一的MIB庫要求。

針對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品形態(tài)，廣電目前還沒有統(tǒng)一的意見，更多還需要在實(shí)際的使用中逐漸形成。

結(jié)合廣電的優(yōu)勢，筆者認(rèn)為廣電的家庭網(wǎng)關(guān)可采用EPON或EoC的接入方式，融合基于DVB-C的音視頻解碼功能，增加VoIP功能，采用PLC或LAN的方式進(jìn)行家庭組網(wǎng)，能很好地利用廣電的同軸資源，為用戶提供更多的高清視頻節(jié)目，同時(shí)也降低對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的需求。

另外，高集成度、接口簡化的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備能大大降低家庭布線的復(fù)雜度，提高設(shè)備的可用性。

2.2 設(shè)備的穩(wěn)定性

廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)，相對(duì)電信來說，產(chǎn)品的復(fù)雜度更高，集成度也更高。因此，設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性是一個(gè)不能忽略的問題。

隨著更多家庭網(wǎng)關(guān)的使用，空中將充斥更多的WiFi無線信號(hào)。因此，必須通過設(shè)計(jì)，不斷增強(qiáng)WiFi的抗干擾能力，提高WiFi模塊的工作穩(wěn)定性。

同樣在設(shè)備內(nèi)部，由于功能眾多，如何保障各部分獨(dú)立工作，不受影響，特別是射頻部分的相互影響，對(duì)設(shè)計(jì)來說也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。只有優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高不同信號(hào)間的隔離度，降低不同信號(hào)的串?dāng)_，減少相互間的影響，才能保證不同信號(hào)間的穩(wěn)定性和獨(dú)立性。

2.3 可管理性

電信的E8-B和E8-C家庭網(wǎng)關(guān)都是通過TR-069協(xié)議對(duì)設(shè)備進(jìn)行業(yè)務(wù)配置和管理的，主要完成4方面的工作：用戶設(shè)備自動(dòng)配置和動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)配置；對(duì)用戶設(shè)備的軟件、固件的管理；對(duì)用戶設(shè)備的狀態(tài)和性能進(jìn)行監(jiān)測以及對(duì)通信故障的診斷。

但是對(duì)廣電系統(tǒng)來說，目前的設(shè)備管理更多的還是通過設(shè)備廠商提供的NMS軟件進(jìn)行設(shè)備管理、業(yè)務(wù)管理、性能檢測及故障診斷。但是各個(gè)廠家的NMS軟件參差不齊，這勢必造成廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備管理的混亂，管理平臺(tái)無法統(tǒng)一，也大大降低了管理平臺(tái)的管理效率，增加了管理的復(fù)雜度。

因此，廣電系統(tǒng)有必要統(tǒng)一管理平臺(tái)，并制定一套完整的管理方案?；蛘呓梃b成熟的TR-069協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的配置和管理。目前廣電的整合為統(tǒng)一提供了可能。

2.4 可制造性和成本

在提高家庭網(wǎng)關(guān)的性能、可靠性和可管理性的同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師還必須確保他們所設(shè)計(jì)的終端產(chǎn)品具有很好的可制造性以及較低的成本。相對(duì)于電信的家庭網(wǎng)關(guān)，由于技術(shù)的成熟度和廣泛的應(yīng)用不足，廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)在可制造性和成本上還有一段路要走。

提高家庭網(wǎng)關(guān)可制造性的一個(gè)方法，是通過把更多功能集成到單機(jī)，甚至是單芯片的解決方案中來優(yōu)化設(shè)計(jì)?？梢源蟠蠛喕O(shè)計(jì)，提高設(shè)備的可靠性，雖然在一定程度上會(huì)增加軟件的設(shè)計(jì)難度，但這可以通過逐漸優(yōu)化并升級(jí)實(shí)現(xiàn)。如今的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采用單主板架構(gòu)或者雙板子卡架構(gòu)，甚至是各功能模塊采用一個(gè)子板的架構(gòu)，選擇的架構(gòu)不同，成本和可制造性就會(huì)不一樣。最后，家庭網(wǎng)關(guān)的相關(guān)軟件能自動(dòng)升級(jí)功能，以應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)的變化和Bug的修復(fù)。

另一個(gè)硬件方面的挑戰(zhàn)，是除了選擇集成功能多的芯片，外圍選用通用的器件，以盡量降低BOM成本。

2.5 易于使用

家庭網(wǎng)關(guān)使用的軟件應(yīng)該有助于提高產(chǎn)品的即插即用性能，盡可能地降低產(chǎn)品的使用難度，家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)置和配置要做到簡單化甚至自動(dòng)化。對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)來說，安全和相關(guān)業(yè)務(wù)功能設(shè)置簡單，并具有幫助用戶排除用戶端故障及自動(dòng)升級(jí)的能力都非常關(guān)鍵。

廣電運(yùn)營商不僅希望能用家庭網(wǎng)關(guān)來管理提供給用戶的相關(guān)語音、視頻、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，還希望對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端的可視化監(jiān)控。因此，具有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)用戶端設(shè)備問題的診斷和故障排除的設(shè)備將更受運(yùn)營商的青睞。盡管目前家庭網(wǎng)管軟件所要解決的問題有限，但很快設(shè)備軟件就會(huì)被要求支持新興業(yè)務(wù)，比如遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控、遠(yuǎn)程家電控制、物聯(lián)網(wǎng)的支持等。因此，在目前的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備中需要預(yù)設(shè)相應(yīng)的硬件接口，為將來軟件的實(shí)現(xiàn)提供平臺(tái)。

由于易于使用是如此重要的一個(gè)因素，所以設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該在網(wǎng)關(guān)里集成一套靈活的、可升級(jí)的模塊化軟件，該軟件具有豐富的API，以應(yīng)對(duì)不同的家庭網(wǎng)關(guān)的需求。因此，家庭網(wǎng)關(guān)不僅需要支持實(shí)時(shí)和嵌入式操作系統(tǒng)，還要集成與運(yùn)用多種技術(shù)，并使最終用戶能構(gòu)建并使用客戶應(yīng)用程序。

另一個(gè)軟件方面的挑戰(zhàn)，是在電路板上的每個(gè)數(shù)據(jù)接口提供多級(jí)別QoS支持的同時(shí)，還要維持系統(tǒng)的性能。網(wǎng)關(guān)的PON、EoC、以太網(wǎng)、WLAN和PLC接口都有各自的限制和QoS要求，要將這些QoS在一個(gè)CPU芯片上進(jìn)行處理是有挑戰(zhàn)的，設(shè)計(jì)工程師必須集成并優(yōu)化每種級(jí)別的QoS，并使之運(yùn)行在單個(gè)CPU里的單個(gè)操作系統(tǒng)上，多個(gè)CPU芯片間的相互協(xié)調(diào)和同步也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

2.6 對(duì)未來業(yè)務(wù)的支持

目前的家庭網(wǎng)關(guān)，已經(jīng)不僅僅是只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。文章討論的廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)，將為用戶提供數(shù)據(jù)接入、語音、視頻等業(yè)務(wù)，但這肯定不是家庭網(wǎng)關(guān)的最后形態(tài)。廣電運(yùn)營商將希望使用具有更加完備功能的網(wǎng)關(guān)，比如增加智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)功能，或者如何更好地讓家庭網(wǎng)關(guān)與手機(jī)、Pad等手持式設(shè)備實(shí)現(xiàn)更好的交互等。在滿足更多業(yè)務(wù)功能需求的同時(shí)，家庭網(wǎng)關(guān)還必須支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，為用戶提供更高的QoS保障。

毫無疑問，家庭網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)中的地位日益重要，它將成為服務(wù)提供商與用戶之間最重要的接口。因此，這種設(shè)備必須能支持所有類型的新業(yè)務(wù)，能在任何無線網(wǎng)絡(luò)中工作并可提供端到端QoS。預(yù)計(jì)在不久的將來，儲(chǔ)存功能也將成為家庭網(wǎng)關(guān)的另一個(gè)重要需求。

盡管廣電系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)面臨許多挑戰(zhàn)，但它們?yōu)榉?wù)提供商改善用戶服務(wù)和增加創(chuàng)收提供了重要機(jī)遇，因此克服這些挑戰(zhàn)將給服務(wù)提供商及其用戶帶來豐厚回報(bào)。

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