家庭互聯(lián)網(wǎng)中的互聯(lián)技術(shù)

中國信息通信研究院 北京 100191

引言

隨著電子信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，家庭中的信息設(shè)備種類和數(shù)量大大的增加，而隨著3G、4G等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的普及，手機(jī)、平板電腦等個(gè)人通信終端也成為家庭信息設(shè)備的重要成員，因此如何將種類繁多、形態(tài)各異的家庭信息設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，組成一個(gè)方便使用、靈活安全的家庭網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。

傳統(tǒng)上家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以劃分成三類功能中心，分別聚焦于家庭內(nèi)部互聯(lián)、音視頻媒體共享和安防控制等智能家居應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)中心，一般是以接入網(wǎng)關(guān)為代表的通信控制設(shè)備；娛樂中心，以機(jī)頂盒、智能電視等為代表的媒體、娛樂存儲(chǔ)和互動(dòng)設(shè)備；控制中心，一般用于低速IP控制業(yè)務(wù)和非IP設(shè)備的控制和代理。

當(dāng)然，在實(shí)際的組網(wǎng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)中，這些功能中心可能分布在不同的設(shè)備中，也可以部分集成在一個(gè)設(shè)備中。

1 家庭互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸需求

家庭網(wǎng)絡(luò)雖然覆蓋面積不大，但其中涵蓋的業(yè)務(wù)種類十分的豐富多彩，各種業(yè)務(wù)的傳輸速率需求各異，下面列出了幾種主要業(yè)務(wù)的傳輸速率要求。

1)互聯(lián)網(wǎng)訪問：互聯(lián)網(wǎng)訪問的最高速率受限于運(yùn)營商提供的寬帶接入業(yè)務(wù)的速率，隨著各運(yùn)營商“提速降費(fèi)”工作的推進(jìn)，50Mbit/s和100Mbit/s接入將成為寬帶接入業(yè)務(wù)的主流，部分地區(qū)已經(jīng)開始小規(guī)模試點(diǎn)200M到1000M的寬帶業(yè)務(wù)。雖然大多數(shù)情況下實(shí)際的單一終端互聯(lián)網(wǎng)訪問體驗(yàn)速率不可能達(dá)到接入速率，但是當(dāng)家庭內(nèi)部多終端共同使用時(shí)，達(dá)到50M或100M接入速率的上限是可能的。

2)家庭存儲(chǔ)共享：家用數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、電子文檔、數(shù)字音視頻產(chǎn)品等為家庭成員提供了大量的數(shù)字化信息。過去，這些信息分散的存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)卡、光盤、電腦硬盤上面，整理和備份困難，且相互之間難以分享。通過網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)(NAS)設(shè)備可以解決大量信息保存、整理和共享的問題。普通家用NAS的讀寫速率一般是50MB/s～120MB/s，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)速率的需求大概在400Mbit/s到960Mbit/s。

3)家庭音視頻媒體共享：家庭組網(wǎng)為電腦、電視和手機(jī)的三屏融合提供了可能，家庭成員可以在家中任何屏幕上觀看家庭中存儲(chǔ)的影音節(jié)目。不同的視頻等級(jí)和不同的音視頻壓縮算法對影音流速率的要求不同，目前常用的1080p視頻流大概需要20Mbit/s左右的碼流速率，而即將到來的4K超高清視頻大概需要30～40Mit/s的碼流傳輸速率。

4)智能家居和能源控制：智能家居控制可以遠(yuǎn)程或定時(shí)啟動(dòng)和設(shè)置某些家用電器，為家庭提供舒適的家居環(huán)境；也包括通過家庭能源監(jiān)控，重點(diǎn)能耗設(shè)備管理，能源計(jì)量設(shè)備管理等多種手段，使消費(fèi)者對能源消耗有準(zhǔn)確的掌握，對家庭的能源消費(fèi)進(jìn)行規(guī)劃，達(dá)到家庭節(jié)能的目的。該類業(yè)務(wù)設(shè)備一般更重視低功耗，采用“休眠-通信-休眠”模式工作，因此帶寬需求較低。

5)家庭安防和社區(qū)服務(wù)：家庭安防是指利用傳感技術(shù)，通過各種傳感器、門窗磁、讀卡器、門禁控制器以及其它安防監(jiān)測設(shè)備為住宅提供入侵報(bào)警、防火、防意外等安防功能；社區(qū)服務(wù)包括了便民服務(wù)、社區(qū)服務(wù)、物業(yè)管理服務(wù)等。這類業(yè)務(wù)的使用頻度也較低，通信需求不大，帶寬需求較低。

總的來說，家庭中的各類業(yè)務(wù)中，家庭存儲(chǔ)共享所需帶寬最高，各類智慧家庭、安防等控制類業(yè)務(wù)所需帶寬最低，如表1所示。

表1 家庭互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸帶寬需求

從表1可以看出，對于家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來說，至少要保證100Mbit/s的信息傳輸速率才能與目前的基本家庭業(yè)務(wù)需求相匹配，如果在家庭內(nèi)部追求較好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，則需要1000Mbit/s的信息傳輸速率。

2 家庭互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸架構(gòu)

ITU-T在建議G.9970中給出了通用的家庭網(wǎng)絡(luò)傳送層架構(gòu)[1]，如圖1所示。整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)劃分為使用IP協(xié)議的“IP家庭網(wǎng)絡(luò)”和使用其他專有技術(shù)或協(xié)議的“非IP家庭網(wǎng)絡(luò)”。圖1中位于接入網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間的“接入網(wǎng)關(guān)”特指“接入網(wǎng)關(guān)的傳送層功能”，而不包含網(wǎng)關(guān)設(shè)備中集成的業(yè)務(wù)功能。IP家庭網(wǎng)絡(luò)直接與接入網(wǎng)關(guān)相連，完成與外界的信息互通和內(nèi)部多個(gè)非IP家庭網(wǎng)絡(luò)域的互聯(lián)，是家庭網(wǎng)絡(luò)的核心部分。非IP家庭網(wǎng)絡(luò)可以包括各種非IP的音視頻傳輸接口、安防控制信號(hào)接口以及傳統(tǒng)的電話線接口等。

圖1 家庭聯(lián)網(wǎng)的一般架構(gòu)（G.9970）

3 家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

家庭中的物理組網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)不同，除了極少數(shù)的發(fā)燒友，絕大多數(shù)家庭沒有專門為家庭中的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)敷設(shè)專用的通信線路。因此，家庭網(wǎng)絡(luò)的傳輸要么采用無線局域網(wǎng)技術(shù)，繞開線路問題，要么利用電力線或以太網(wǎng)線等已有線路組建家庭網(wǎng)絡(luò)，更多的情況是需要因地制宜，采用有線、無線多種網(wǎng)絡(luò)的橋接，才能既滿足每個(gè)家庭中每個(gè)房間的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，又可以保證相當(dāng)?shù)乃俾省?/p>

3.1 無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)

家庭無線局域網(wǎng)技術(shù)主要使用基于IEEE 802.11[2]系列規(guī)范和Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE 802.11技術(shù)最早于上世紀(jì)90年代末標(biāo)準(zhǔn)化，十幾年來陸續(xù)發(fā)展出來802.11a/b/g/n/ac等多種后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)(如表2所示)，速率不斷提升，特別是可以和手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備方便連接，因此在家庭組網(wǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

表2 WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比

得益于全球龐大的WLAN用戶市場，2009年發(fā)布的802.11n技術(shù)和2013年發(fā)布的802.11ac技術(shù)目前已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。新上市的無線路由器和筆記本已經(jīng)普及了對802.11ac的支持。

802.11 ac是802.11n技術(shù)的演進(jìn)，從三個(gè)方面對802.11n技術(shù)進(jìn)行了增強(qiáng)：一是使用信道帶寬，增加了80MHz和160MHz信道帶寬的選項(xiàng)。信道帶寬的增加對于傳輸速率增長最為顯著，相比于802.11n最大40MHz帶寬，802.11ac使用80MHz帶寬可以獲得2倍以上的速率；二是將802.11n最大64QAM調(diào)制增加為最大256QAM調(diào)制；三是支持更多的MIMO空間流。802.11ac是使無線局域網(wǎng)速度方面可以與千兆以太網(wǎng)相匹配的技術(shù)，必將成為無線局域網(wǎng)應(yīng)用的主流技術(shù)。

無線局域網(wǎng)工作的2.4G和5G都是非授權(quán)頻段，信號(hào)易受到干擾，因此，雖然物理層標(biāo)稱速率較高，但實(shí)際使用的數(shù)據(jù)吞吐量與之相差較遠(yuǎn)。另外一個(gè)實(shí)際使用中的影響是穿墻能力不足，特別是國內(nèi)常見的鋼筋混凝土承重墻對信號(hào)衰減較大，需要合理選取無線路由器在家中的放置位置。

3.2 電力線通信(PLC)技術(shù)

電力線通信技術(shù)是利用家庭中隨處可見的電力線作為通信信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，進(jìn)行組網(wǎng)通信的技術(shù)。目前國際上兩種主流的室內(nèi)高速電力線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別是HomePlug系列和ITU G.9960系列。目前市場上的“電力貓”產(chǎn)品以HomePlug技術(shù)方案的居多。

電力線信道的特點(diǎn)是阻抗不穩(wěn)定，且噪聲來源比較豐富。因此電力線通信一般采用抗噪聲能力強(qiáng)的OFDM調(diào)制技術(shù)，并配合強(qiáng)力的糾錯(cuò)編碼和重傳機(jī)制，以保障信息的可靠傳輸。

HomePlug系列標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)歷了幾代的變遷。最早的HomePlug標(biāo)準(zhǔn)是2001年發(fā)布的HomePlug-1.0規(guī)范，峰值速率僅為14Mbit/s。2005年，HomePlug聯(lián)盟發(fā)布了HomePlug AV標(biāo)準(zhǔn)，將物理層速率提升到200Mbit/s，對應(yīng)MAC層速率大約是80Mbit/s。2012年HomePlug聯(lián)盟發(fā)布了Homeplug AV2規(guī)范，并以此為基礎(chǔ)發(fā)布為IEEE P1901[3]，不但物理層調(diào)制速率增至600M，并且通過支持MIMO技術(shù)，使得電力線通信速率跨入千兆大關(guān)。

作為與HomePlug系列規(guī)范的對應(yīng)，ITU-T制定的G.9960系列規(guī)范[4]也支持類似的物理層速率、MIMO技術(shù)等。

受制于電力線通信技術(shù)市場標(biāo)準(zhǔn)的分裂，產(chǎn)品成本無法有效的降低。與WLAN技術(shù)相比，電力線聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品市場并未獲得預(yù)期的成功。但作為一種無需額外布線的有線連接技術(shù)，“電力貓”可以作為有線中繼設(shè)備連接兩個(gè)或多個(gè)無線接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)方便的無線覆蓋布置，彌補(bǔ)無線局域網(wǎng)穿墻能力不足的缺點(diǎn)。

3.3 以太網(wǎng)技術(shù)

無論是無線局域網(wǎng)技術(shù)，還是電力線通信技術(shù)，雖然峰值通信速率都可達(dá)到數(shù)百兆甚至千兆量級(jí)，但其數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量都受限于不可控的噪聲干擾等因素，因此長時(shí)間傳輸實(shí)時(shí)性和誤碼率要求高的業(yè)務(wù)(比如視頻流)時(shí)，經(jīng)常遇到由于丟包引起的“馬賽克”等業(yè)務(wù)質(zhì)量下降問題。

而傳統(tǒng)的基于網(wǎng)線的以太網(wǎng)技術(shù)，不論是100M以太網(wǎng)還是1000M以太網(wǎng)，在穩(wěn)定性方面具有不可比擬的優(yōu)勢，適合作為異構(gòu)的家庭互聯(lián)組網(wǎng)中的核心網(wǎng)絡(luò)。

3.4 非IP聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

IP技術(shù)雖然支撐了世界范圍內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)，也組成家庭網(wǎng)絡(luò)的核心部分，但是面都家庭中多種多樣的聯(lián)網(wǎng)需求還是存在不足。在家庭網(wǎng)絡(luò)中，IP聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要在兩個(gè)方面無法替代專有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

1)音視頻接口：音視頻接口主要用來連接視頻輸出設(shè)備、顯示設(shè)備、功放機(jī)等，目前應(yīng)用比較廣的是HDMI接口。隨著視頻分辨率的不斷提高，對于音視頻接口的傳輸能力要求也相應(yīng)提高。例如，支持4K視頻傳輸?shù)腍DMI 2.0規(guī)范其信號(hào)帶寬高達(dá)18Gbit/s，并且需要滿足音視頻接口嚴(yán)格的信號(hào)抖動(dòng)指標(biāo)，多通道并行傳輸?shù)裙δ?。除了HDMI外，業(yè)界還制定了Display Port、MHL等音視頻連接標(biāo)準(zhǔn)，但沒有HDMI應(yīng)用廣泛。

2)傳感器網(wǎng)絡(luò)：家庭內(nèi)的能源計(jì)量、自動(dòng)控制和安防應(yīng)用需要各種傳感器組成網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信速率很低，但傳感設(shè)備要求盡量減少耗電需求，大部分時(shí)間都處在休眠的狀態(tài)。前面提到到WLAN、PLC等通信技術(shù)較為“重量級(jí)”，無法滿足傳感設(shè)備對功耗的要求。目前比較常見傳感網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信，ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4[5]的無線傳感網(wǎng)協(xié)議。ZigBee協(xié)議比較簡單，發(fā)射功率只有1mW，采用“休眠/喚醒”模式，因此可以做到極低功耗。另外ZigBee協(xié)議支持自組網(wǎng)認(rèn)證和加密等功能。

4 家庭網(wǎng)絡(luò)IP層技術(shù)

由于IPv4地址的相對稀缺，當(dāng)通過PPP協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，運(yùn)營商一般給每個(gè)家庭僅提供1個(gè)外部IP地址，而家庭內(nèi)部的多個(gè)IP終端均使用內(nèi)部私有地址。家庭網(wǎng)絡(luò)IP域內(nèi)的地址分配和管理一般采用DHCP方式。DHCP不但可以配置IP終端的地址、DNS服務(wù)器地址等信息，還可以根據(jù)對不同的IP終端類型的判斷，采用不同的地址分配策略。

當(dāng)家庭內(nèi)部缺乏DHCP分配功能時(shí)，IP終端可以采用自動(dòng)私有IP地址(APIAP)技術(shù)無狀態(tài)的為自己選擇接口IP，這時(shí)，家庭網(wǎng)絡(luò)IP域設(shè)備仍然可以完成內(nèi)部IP網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，但是由于缺乏網(wǎng)關(guān)地址等關(guān)鍵信息，只能進(jìn)行內(nèi)部連接，無法進(jìn)行外部訪問。

家庭網(wǎng)絡(luò)通過接入網(wǎng)關(guān)作為連接外部世界的總出口。對于橋接模式的接入網(wǎng)關(guān)，自身沒有IP地址管理功能，需要家庭內(nèi)部的路由器設(shè)備終接對公網(wǎng)的IP地址，并在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分配和管理IP地址，完成內(nèi)部地址到公網(wǎng)地址的翻譯。在這種方式下，接入網(wǎng)關(guān)的多個(gè)端口相互隔離，分別接入運(yùn)營商不同的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，不同端口下掛的家庭IP終端往往不能直接互通。因此造成家庭終端在IP層的割裂，違反了家庭聯(lián)網(wǎng)的初衷。

整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的IP域應(yīng)該組成一個(gè)整體，家庭內(nèi)所有IP終端都應(yīng)可以自由的交換數(shù)據(jù)。為達(dá)到這一目標(biāo)，接入網(wǎng)關(guān)應(yīng)設(shè)置為路由模式，統(tǒng)一管理家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)IP域所有設(shè)備的地址分配，并啟用地址翻譯功能進(jìn)行與公網(wǎng)IP地址的互通。

5 結(jié)語

綜上所述，家庭網(wǎng)絡(luò)雖然體量很小，但是其中包含的業(yè)務(wù)種類繁多，對傳輸速率的要求差別巨大，而且沒有一種家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以方便的適用于所有的情況，通常的家庭聯(lián)網(wǎng)都是采用有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和非IP網(wǎng)絡(luò)混合互聯(lián)的異構(gòu)組網(wǎng)形式。例如，802.11ac速率很高，可以在視頻播放設(shè)備與AP在同一房間內(nèi)的環(huán)境下承載大碼流的視頻業(yè)務(wù)，而若存在穿墻的情況，則需使用以太網(wǎng)或PLC橋接等方式，首先完成房間之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通道的建立，再考慮使用有線或無線的方式進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)的承載。房間內(nèi)的傳感器設(shè)備通過ZigBee協(xié)議組網(wǎng)，但是無法直接與互聯(lián)網(wǎng)通信，因此需要傳感網(wǎng)關(guān)完成到寬帶家庭網(wǎng)關(guān)的連接。

家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)相對比較復(fù)雜，特別是網(wǎng)絡(luò)性能不易得到保證。因此，在家庭互聯(lián)網(wǎng)新形勢下的家庭聯(lián)網(wǎng)和信息傳輸技術(shù)仍然值得深入的研究。

參考文獻(xiàn)

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[2] IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)媒體訪問控制和物理層規(guī)范[S]

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[4] ITU-T G.9960 通用家庭有線聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器——系統(tǒng)架構(gòu)和物理層規(guī)范[S]

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