編者按：隨著經濟和技術的發展，人們對通信服務的需求已不再是簡單的話音和單向的視頻，而是更快速、更豐富、交互式的寬帶多媒體業務。寬帶通信與互聯網的普及極大地促進了數字媒體內容的發展。而今，除了家電產品數字化的革新之外，構建一個寬帶接入、內部互聯、內容共享的家庭網絡也日趨突顯。

　　一、數字家庭網絡組網方式

　　從產業發展的潮流看，通信、信息、娛樂等技術迅速成熟并開始融合，3C融合的趨勢已經顯現，信息資源在個人終端上得以整合，個人用戶可以直接面對一個虛擬的信息平臺進行操作，設備和信息之間實現無縫鏈接，所有這些使得“數字家庭網絡”這個話題越來越熱。

　　1 數字家庭網絡的定義和業務應用

　　數字家庭網絡是指通過家庭網關將公共網絡的功能和應用延伸到家庭，并以可靈活配置的家庭智能布線系統為基礎或者構筑無線環境，連接各種信息終端（如家電、PC等），提供集成的話音、數據、多媒體、控制和管理等功能，達到信息在家庭內部終端與外部公共網絡及家庭內部終端之間的流通和共享。

　　數字家庭網絡的業務通常定位于三個方面：a.家庭影音娛樂，觀看影片、欣賞音樂、個人影音STudio.b.電信及廣播業務，VOD、VOIP、IPTV、網絡游戲、遠程辦公/教育/醫療。c.控制和監視功能，實現安防、電器控制、抄表、電源管理。通過數字家庭網絡可以實現以下業務和應用：a.與Internet互聯，通過機頂盒和電視機或者電腦實現VOD點播，并提供基于活動服務器網頁（Active Server Page，ASP）的海量存儲和個性化的信息服務及互動的Internet娛樂游戲等服務。b.實現家庭內部各種信息終端的高速信息共享，如PDA、PC之間的數據共享。c.通過家庭網關實現遠程對各種家用電器的控制、調節和監測，如對微波爐、洗衣機、空調、燈光、電動窗簾、溫度和濕度控制器、風量調節器等的控制。d.實現防盜報警器、自動煙霧探測器、有害氣體檢測裝置的自動報警并通過網絡發送到用戶的手機、E_mail信箱或者小區的管理中心。e.通過家中攝像頭，利用家庭網關作為視頻服務器，用戶可遠端通過Internet實時監控家庭安全。

　　2 數字家庭網絡的組成

　　數字家庭網絡結構如圖1所示，通常有三部分組成：a.家庭網關；b.各種信息終端設備和智能家電設備；c.家庭智能聯網環境的構筑，即將數字家庭內各類終端互聯并與家庭網關相連，通過家庭內部有線或無線方式的互聯技術實現家庭網絡各信息終端設備和智能家電設備的自組織聯網并提供自動發現和配置。其中家庭網關（Residential Gateway，RG或Home Gateway，HG）是數字家庭網絡的核心，是一種簡單的、智能的、標準化的、靈活的個人家庭網絡接口單元，它可以從不同的外部網絡接收通信信號，將信號傳遞給某個設備。RG也是整個家庭網絡與外部網絡聯系的橋梁，是數字家庭各種業務和應用的關鍵。ITU-T 已經將家庭網絡納入NGN（新一代網絡）的一部分，而RG將在其中扮演重要角色，RG在NGN中的位置及其與外部的連接如圖2所示，MGC為媒體網關控制器，MG為媒體網關。

　　RG應具備以下功能：a.可同時進行多個或不同種類的接入，同樣家庭網絡可以使用多種技術來構建；b.能同時處理多種類型的接入網技術和多種類型的網絡技術；c.能橋接接入網QoS和家庭網絡的QoS;d.能保障訪問的內容不依賴于用以傳送內容的硬件和傳輸機制；e.能靈活地支持最新技術；f.應建立在靈活的平臺上，并且能夠很容易升級。

　　圖1 數字家庭網絡的結構

　　圖2 NGN與家庭網關

　　3 數字家庭網絡的組網方式

　　3.1 數宇家庭網絡內部組網方式

　　家庭網絡是把家庭內部的設備進行匯聚，構成以RG為中心的通信網絡，因而家庭網絡的連接技術主要是家庭內部各個終端的接入問題。RG與運營商連接端可選用GPON接入方式，對于RG 內部與各設備間的互聯可選用多種技術，每種技術都有其特點和適用的范圍。

　　RG內部與各設備間的互聯最通用的連接方式是以太網，所有的設備可以以太網的接口進行互聯，但有線網絡在某些場合會受到布線的限制：布線、改線工程量大，線路容易損壞，網中的各節點不可移動。因此，還可以通過無線局域網作為接入方式。

　　無線局域網標準可選用IEEE 802.1la/b/g，其中802.1la/g的傳輸速率為54 Mb/s，802.11b的傳輸速率為11 Mb/s，802.11a和802.11b工作在兩個完全不同的頻帶，采用完全不同的調制技術，兩者是完全不兼容的，但可以共存于同一區域而互不干擾。

　　最新批準的802.11g有兩個最主要的特征：高速率和兼容802.1lb.802.11g標準是下一個主流的無線局域網標準，它提供了高速數據通信帶寬，并以較為經濟的成本提供了對原有主流無線局域網標準的兼容。除此之外，家庭內部組網還可以使用PI T（電力線通信技術）、HomePNA（家庭電話線網絡聯盟，是一種家庭網絡的計算機互聯標準）技術、HomePNA on COAX（基于同軸電纜的HomePNA）技術、藍牙、USB和DECT（增強型數字無繩通信）等。

　　3.2 數字家庭網絡與外部公共網絡的連接

　　隨著寬帶業務應用的多元化及帶寬需求的不斷提高，近兩年來全球掀起了光纖接人的熱潮。面向未來的寬帶應用包括語音（VoIP和視頻電話）、數據（高速Internet業務）和視頻（IPTV）三大類。由于每一類寬帶應用對接人帶寬的需求不同，因此需要選擇不同的寬帶接人方式。目前國內絕大多數寬帶接人用戶的主要應用是高速互聯網接人，xDSL或LAN可滿足絕大多數普通用戶需求。但如果還需要利用寬帶接人實現其它各種寬帶應用，包括各種視頻服務（廣播電視、HDTV、VOD等）、視頻會議、視頻電話、交互網絡游戲等時，原有的接人技術在帶寬上就顯得難以勝任了。而GPON 接人方式可提供更高帶寬，為此類高端用戶輕松提供充足的帶寬以享受各類寬帶業務。

　　雖然上一代技術（BPON、EPON）可以滿足當前網絡的需求，但是基于1P協議的互動電視和高清晰度電視，以及電信運營商向綜合信息服務轉型后對網絡的要求更高，只有GPON才能更好地滿足。首先，GPON可支持多種速率等級，可支持上下行不對稱速率，上行不一定要支持1 Gb/s以上速率，而EPON只能支持對稱1 Gb/s單一速率，因此GPON的光器件選擇余地更大，從而可降低成本。其次，GPON可支持oDN等級Class A、B和C，而EPON只支持Class A 和B，因此GPON可支持高達128的分路比和長達20 km 的傳輸距離。再者，GPON標準提供了前所未有的高帶寬，下行速率高達2.5Gb/s，上行速率1.2 Gb/s，其非對稱特性更能適應寬帶數據業務；支持的業務類型包括數據業務（Ethernet業務，1P業務和MPEG視頻流）、PSTN業務（POTS、ISDN業務）、專用線業務（T1、E1、DS-3、E3和ATM）和視頻業務（數字視頻）；提供QoS的全業務保障，同時可將多業務映射到ATM 信元和（或）GEM（GPON Encapsulation Method）幀中進行傳送且有很好的服務等級，支持QoS保證和全業務接人的能力；承載GEM 幀時，可以將TDM 業務映射到GEM 幀中，使用標準的8 kHz（125 s）幀，能夠直接支持TDM 業務；作為電信級的技術標準，GPON還規定了在接入網層面上的保護機制和完整的OAM 功能；GPON技術還允許運營商根據各自的市場潛力和特定的管制環境，有針對性地提供客戶所需要的特定業務。

　　相對于上一代技術，GPON無論是在傳輸匯聚層還是在業務適配層的效率都是最高的，其總效率最高，等效系統成本最低。假設TDM 業務占1O 、數據業務占9O ，則GPON 的總效率為94 ，而APON和EPON分別為72 和49 .GPON不僅可以提供10 Mb/s、100 Mb/s、1 Gb/s的業務，還可以提供VI AN業務和語音業務，可以適應任何現有業務和未來新業務的適配要求。

　　GPON 由光線路終端（OLT）、光網絡終端（oNT）及環形（或樹形）拓撲結構的PON 組成。

　　OLT位于中心機房，向上提供廣域網接口，包括GbE，OC-3/STM一1，DS-3等，向下對PON 可提供1.244 Gb/s或2.488 Gb/s的光接口。ONU/ONT位于用戶側，為用戶提供10/100 BaseT，T1/E1，DS一3等應用接口，其對PON 的光接口速率有155Mb/s，622 Mb/s，1.244 Gb/s和2.488Gb/s等多種選擇。從oLT到ONU/ONT的方向為下行方向，采用廣播發送的數據流傳輸方式；反之為上行方向，采用基于統計復用的時分多址接人（TDMA）技術。

　　PON通過粗波分復用（CWDM）覆蓋實現數據流的全雙工傳輸。PON一般采用樹形拓撲結構，在需要提供業務保護和通道保護的情況下，可增加保護環，對某些ONT提供保護功能。

　　目前，基于GPON技術的FTTx是寬帶接人的最佳技術，是實現語音、數據、視頻三網融合的保證。

　　但GPON技術設備相對復雜，GPON承載有QoS保障的多業務和強大的OAM 能力等優勢，很大程度上是以技術和設備的復雜性為代價換來的，從而使得相關設備成本較高。隨著GPON技術的發展和大規模應用，GPON設備的成本將會下降。

　　4 總 結

　　在網絡和通信技術快速發展的今天，數字家庭網絡有著重要的研究價值，它是公共網絡服務向家庭的延伸，也是電信運營商和網絡運營商下一個重要的市場擴展空間。高速的家庭業務需要高的帶寬，因此數字家庭網絡的接人技術也是隨之研究的一大熱點，GPON無疑將成為未來接入網的最好選擇，數字家庭網絡和GPON結合是未來家庭寬帶業務發展的必然結果。

　　二、基于智能網關的數字家庭網絡系統設計

　　引言

　　可以預見，未來幾年將是寬帶網絡發展和家庭網絡普及的上升期，隨著全球3C（Cornputer，Communication，Cosumer）的融合趨勢，數字家庭網絡系統將是計算機、數字家電和移動信息終端通過有線或無線網絡的無縫協作。

　　目前的數字家庭網絡，除了PC和家庭網關／路由器以外，又出現了媒體適配器及媒體服務器，這類新設備將許多媒體處理任務從PC中分流出來，構成一種無中心網絡結構，如何將家庭控制網、數字數據網和家庭A／V網這三個相互之間異構的網絡共同構成家庭高速信息網，以實現網絡接入、防盜報警、室內電器自動控制管理、門禁對講、遠程抄表、遠程Web監控、視頻點播等成為信息技術領域中的一個研究熱點。

　　l 數字家庭網絡系統主要研究內容

　　1．1 數字家庭網絡系統的基本功能

　　數字家庭網絡通過家庭網關將公共網絡功能和應用延伸到家庭，并以可靈活配置的家庭智能布線系統，連接多種多樣的終端設備，提供集成的話音、數據、多媒體、控制和管理等功能，達到信息在家庭內部終端與外部公網及家庭內部終端之間的充分流通和共享。其具備以下功能：

　　家庭網關可同時連接多個或不同種類的接入技術，如支持ADSL和局域網接入。在系統功能上能夠同時處理多種類型的接入網技術和多種類型的網絡技術。

　　家庭網絡分為三部分：家庭控制網、數字數據網、家庭A／V網，這三種網絡在傳輸速率、帶寬需求、傳輸介質、安全要求以及QoS（網絡服務質量）要求上均有明顯差異，因此可以使用多種技術來構建，家庭控制網以采用基于X-10總線協議的PLC電力線載波技術為傳輸介質；而數字數據網、家庭A／V網以無線為傳輸介質，采用超寬頻UWB技術，以極低功率的信號實現114 Mb／s的傳輸速率，滿足多媒體業務對帶寬的需求。

　　支持射頻接入技術，用戶通過家庭網關內置的Web Server功能控制高頻頭選臺，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數據流，編碼轉換為符合數字標準（如MPEGl）的數字媒體流，經WLAN傳輸到各多媒體播放終端，實現家庭內部各種信息終端的高速信息共享。

　　家庭網關能橋接接入網QoS和家庭網絡的QoS，保障訪問的內容不依賴于用以傳送內容的硬件和傳輸機制；通過模塊的遠程下載功能，靈活地支持最新技術，使得系統很容易升級，以支持未來新興業務。

　　通過家庭網關內置的Web Server功能實現遠程對各種家用電器設備的控制、調節和監測，并通過SSID和VLAN技術保證用戶控制命令和數據的安全性。

　　家庭網關可通過Intranet VPN接入公司的VPN網關，實現Intranet、遠程辦公。

　　1．2 數字家庭網絡系統架構設計

　　以PLC電力線載波技術和UWB無線通信技術為基礎，開發基于智能網關的數字家庭網絡系統，采用嵌入式家庭網關將家庭數據通信網、家庭A／V網、家庭控制網有機的結合在一起，以標準C和JAVA作為開發平臺，采用RC232434作為嵌入式系統核心CPU，應用嵌入式Linux操作系統作為軟件開發平臺，采用多SSID技術、VLAN技術和VPN技術實現智能路由，并提高QoS品質，通過家庭網關服務器將小區網絡信號、射頻數字電視信號、電話信號、音視頻信號、家電控制信號同時納入到家庭網絡中，實現處理多種類型的接入網技術和多種類型的網絡技術。數字家庭網絡系統架構系統框圖如圖1所示。

　　1．3 嵌入式家庭網關架構框圖及分析

　　家庭網關架構框圖（如圖2所示）有7個模塊：

　　（1）RC32434 CPU核心模塊，是家庭網關最為核心的部分，以Linux操作系統為核心，管理、協調各周邊模塊。主要實現網絡協議轉換、智能路由、QoS動態配置、網絡安全等功能；

　　（2）以太網接口模塊是管理多個以太網接入端口，負責實現輕量級TCP／IP協議棧；

　　（3）ADSL電話接口模塊，實現電話信號的數字化，并通過UWB進行傳輸，同時可將寬帶ADSL信號解調后進行廣域網服務端口和局域網網絡服務器之間的轉發規則映射；

　　（4）射頻接口模塊，內置高頻頭，對高頻電視信號進行處理，具備選頻、放大及變頻功能，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數據流，編碼轉換為符合數字標準（如MPEG1）的數字媒體流；

　　（5）PLC電力線載波接口模塊，通過PCI總線與RC32434 CPU進行信息交互，將外網對家電控制信息通過電力線載波的方式傳輸給各家電終端，此模塊實現采用正交頻分復用（OFDM）調制和前向糾錯等核心算法；

　　（6）UWB無線通信模塊，通過PCI總線與

　　RC32434 CPU進行信息交互，將寬帶網絡數據和多媒體音視頻流通過超寬頻UWB傳輸，同時接收PC和媒體終端的流媒體，通過網關轉發到外網或內網；

　　（7）Web Servet管理模塊是家庭內部各種智能應用終端的信息和狀態均以網頁的形式通過Web服務器傳給遠程監控用戶。

　　系統引入VPN技術，遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網關，實現對家庭網絡的安全遠程訪問和控制。家庭網關可通過Intranet VPN接入公司的VPN網關，實現Intranet、遠程辦公。

　　2 數字家庭網絡系統技術原理

　　2．1 PLC技術原理

　　PLC利用1．6～30 MHz頻帶范圍傳輸信號。在發送時，利用GMSK或OFDM調制技術將用戶數據進行調制，然后在電力線上進行傳輸；在接收端，先經過濾波器將調制信號濾出，再經過解調，就可得到原通信信號。PLC技術主要包括電力線網絡單元（PNU），它負責控制電力線網絡并從單元配電網集成話務，通過適當的電信干線接口，PNU再將話務傳至饋電網絡。根據饋電網絡中使用的不同介質，PNU也可轉換來自低壓配電網的數據話務。

　　2．2 UWB技術原理

　　UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈沖 間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。UWB技術采用脈沖位置調制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬為0．1～1．5 ns，重復周期在25～1 000 ns。

　　3 系統創新內容

　　3．1 應用創新

　　3．1．1 基于RC32434的MIPS+Linux的系統平臺

　　本系統采用IDT的RC32434 Interprise集成通信處理器，其采用32位MIPS 4Kc CPU，支持標準媒體獨立接口（MII）及簡化標準媒體獨立接口（RMII），在此硬件平臺上移植Linux，并且開發了多協議應用協議庫和設備驅動程序，MIPS+Linux系統平臺具有良好的穩定、移植性、優秀的網絡功能、完整的TCP／IP協議棧、完備的對各種文件系統的支持，以及標準豐富的API，其內核緊湊，編譯后小于512 KB。

　　3．1．2 多SSID和VLAN技術應用

　　家庭網關可采用無線傳輸方式（如通過802．1lX）進行家庭內部組網，引入SSID技術可以將一個無線局域網分為幾個需要不同身份驗證的子網絡，每一個子網絡都需要獨立的身份驗證，防止未被授權的用戶進入本網絡，而且采用多SSID技術可以實現虛擬AP功能。不同的SSID可以采用不同的認證方式及訪問權限，也可映射為不同的VLAN，實現公共熱點與家庭內部網之間的網絡隔離。

　　3．1．3 強型X-10的總線技術應用

　　家庭控制網采用X-10的總線傳輸技術，性價比高、兼容性、可擴充性強等優點被廣泛應用于家庭控制網絡，但由于其是在電力線中傳播數據，抗干擾能力較差，為了解決此問題需要對X-10協議進行改進和擴充，使其具用較強的抗干擾特性，且兼容標準的x-10協議。

　　3．1．4 VPN技術應用

　　將VPN技術應用于家庭網絡，可采用Access VPN和Intranet VPN兩種技術。遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網關，實現對家庭網絡的安全遠程訪問和控制。家庭網關可通過Intranet VPN接入公司的VPN網關，實現Intranet、遠程辦公。

　　3．2 技術創新

　　3．2．1 家庭網關的多業務、多種端口技術

　　家庭網關應使用戶能連接家里盡可能多的設備。網絡運營商可利用這些設備捆綁多種業務，控制從基礎設施到終端設備等家庭網絡中所有設備上的業務。因此在硬件上采用多端口設計方案，具有RJ45，RJll，PLC，WLAN和射頻多種接口，這樣可通過網關方便連接如IPTV機頂盒、網絡游戲終端、IP電話終端等多種終端設備。在軟件上采用實時多任務操作系統和模塊化設計思想，支持模塊的遠程下載更新，以支持未來新興業務的媒體設備，使得家庭網關成為服務提供商與用戶之間最重要的接口。

　　3．2．2 三網合一內部網絡協議轉換技術

　　家庭網關連接家庭數據通信網、家庭A／V網和家庭控制網，其在網絡協議、傳輸碼流、網絡服務質量以及傳輸載體上都有較大差異，如何實現網絡異構，保證數據傳輸的安全，應由家庭網關內部網絡協議轉換模塊完成，并且通過SSID和VLAN技術實現公共熱點與家庭內部網之間的網絡隔離，提高用戶數據的安全性。家庭網關的物理接口可支持UWB和PLC兩種傳輸方式，為用戶提供便捷的接入方式，如控制網可采用基于x-10協議的電力線載波傳輸模式，移動媒體終端采用UWB傳輸技術，保證對帶寬的需求。

　　3．2．3 QoS（網絡服務質量）動態配置技術

　　QoS的實現需要在家庭網關上實現外部網絡和家庭網絡之間的帶寬映射分配機制，將外部網絡中業務流按照家庭網絡情況進行重新映射分配，需要在家庭網關上實現帶寬的動態預留和分配功能，家庭網關需要同時實現外部網絡和家庭網絡的服務質量機制，保證端到端的QoS。另外，需要對家庭中各個終端的QoS能力進行定義，制定終端設備和家庭網關之間的QoS信令機制。

　　3．2．4 網絡數據*濾技術

　　網絡IP報文的IP報頭及所承載的上層協議（如TCP）報頭的每個域包含了可以由路由器進行處理的信息，可以由這些域的各式各樣的組合形成不同的規則。家庭網關提供了基于接口的*濾，即可以在寬帶上行口的進出兩個方向上對報文進行過濾，提高網絡傳輸流量，保障網絡安全。

　　4 結語

　　“處處計算，處處連接”是數字家庭的最終目標，在寬帶網絡完成最后一公里接入之后，隨著家庭網絡的普及，多種多樣的終端設備將逐步完成寬帶最后一米的延伸，將更多更好的服務推送到家庭。本文提出采用PLC電力線載波和超寬頻UWB技術構建家庭控制網、家庭數據通信網和家庭A／V網，通過智能網關的管理實現三網合一，為數字家庭夢想的實現推波助瀾。

　　三、基于電力線數字家庭實現方案

　　摘要：分析了電力載波數據通信的特點，介紹了幾種典型的電力載波芯片，提出了一個基于電力線的數字家庭實現方案。

　　關鍵詞：電力線　電力線載波　數字家庭

　　信息時代的來臨，使信息家電日益受到市場和廠家的關注。伴隨著網絡技術的發展與迅速普及，人們的生活方式正在發生深刻的變化。所謂數字家庭的概念和現實需求正漸漸向我們走來。

　　數字家庭作為一個動態過程，應該包含三方面的內容：（1）信息產品的家電化，如機頂盒、web游戲機、web電視、web電話，還有掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網絡系統交互信息的消費類電子產品；（2）傳統家電的數字化和網絡化，如電冰箱、洗衣機、微波爐等植入數字網絡技術，使之工作于家庭網絡環境的基礎上；（3）基于家庭網絡環境開發出的新的應用模式。

　　數字家庭的實現面臨著兩方面的問題：（1）家庭信息需求的具體化，即數字家庭的概念模型到實際模型，國內外都進行了一些有益的探索；（2）技術解決方案，包括網絡接入方案和設備互連方案。藍牙技術為設備間的無線互聯提供了一種理想的解決方案。由于價格上的原因，該技術的普及還有一些困難。居家所固有的低壓電力線布線結構為實現設備的數字互連提供了一種潛在的可能。本文試圖對電力線數據傳輸的特點進行分析，介紹幾種現有的電力線載波芯片，并提出一種基于電力線布線結構的數字家庭實現方案。

　　1 電力線數據傳輸的特點

　　本文所指電力線是指用戶端低壓電力配線網，其主要功能是傳輸50Hz的工頻電能。利用電力線實現數據傳輸即采用電力線載波技術。由于電力線本身不是為通信設計的，因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。從通信角度來說電力線對數據傳輸還有一系列技術上的難點，其主要特點如下：

　　（1）配電變壓器對電力載波信號的阻隔。配電變壓器主要實現50Hz工頻電能的變換，因此對高頻電力載波信號起阻斷作用。這使得電力載波數據傳輸的范圍受到一定的限制。通常只能在一個配電變壓器范圍內或更小的范圍內傳送。

　　（2）三相電力線間有效信號的損失（10dB~30dB）。由于信號跨越相線時要與配電變壓器的副邊發生關聯，必然引入衰減。對于近距離，不同相之間或許可以收到信號。但是距離一遠就比較困難了。這是對電力載波傳輸范圍的又一個限制因素。通常電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。

　　（3）電力線本身固有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50Hz和60Hz，則周期為20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出現兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100Hz或120Hz脈沖干擾，干擾時間約2ms。固定干擾必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內進行數據傳輸的方法，但由于過零點時間短，實際應用與交流波形同步不好控制，現代通訊數據幀又較長，難以應用。

　　（4）電力負載對載波信號衰減。當電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高衰減。實際應用中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸幾公里；但當電力線上負荷很重時，只能傳輸幾十米。因此，只有進一步提高載波信號功率來滿足數據傳輸的要求。提高載波信號功率會增加產品成本和體積，而且，單一提高載波信號功率并不是有效的方法。

　　（5）電力設備產生的噪聲干擾。電力線上接有各種各樣的用電設備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設備經常頻繁開閉，會給電力線帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線藕合下來的噪聲一般在10mV以上，而一般傳輸的數據信號會削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來解調數據信號，通訊距離會相當短。

　　（6）電力線引起數據信號畸變。電力線網本身是一個分布參數的網絡，不同點對數據信號影響是不一樣的，同時電力線時刻動態變化，不同時間對數據信號影響也不一樣，這就使發出的規則數據信號經過電力線后，嚴重變形、參差不齊，必須加以特殊處理。

　　基于以上六個特點，電力線作為數據信號的傳輸介質不是特別理想。進入20世紀90年代以后，隨著通信技術的發展，電力線載波技術已經獲得了重大突破。1997年10月，英國聯合電力公司的通信子公司Norweb公司與加拿大Nortel公司聯合宣布已經解決了電力抗干擾等問題。1998年夏天，Norweb 公司已為英格蘭西北部的2000個居民和商業用戶提供通過電力線的因特網服務，速率達到了1Mbps，比現行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德國RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德國萊錫林根向公眾展示利用電力網線傳送電話和數據的技術，用戶通過低壓電力線以高于現在ISDN 20倍的速率在因特網上傳輸和瀏覽數據。1999年4月，一家以色列公司和一家美國公司也宣布，他們正在聯合開發借助公共電力網傳送因特網數據的新技術，1999年內將使因特網傳輸速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未來一兩年內提高到10Mbps。

　　2 現有幾種電力線載波芯片

　　實現電力線載波數據傳輸的關鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結起來就是功能強大和性能優越的電力線載波專用modem芯片的設計和應用。國外很早對電力線載波通訊技術進行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區電網（480Y/277V，208Y/120Vac）的標準頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區電網（400Y/230Vac）的標準頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區電網特點，采用各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區電網特性、電網結構，且一般是針對家庭內部自動化而設計，在國內使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波modem芯片在一定應用領域可勉強使用。國內可使用的電力線載波modem芯片有以下幾種：

　　（1）XR2210/XR2206套片或LM1893

　　這是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調制解調芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導體公司生產的modem芯片，采用FSK調制解調方式。它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內基本沒有采用。

　　（2）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通訊而設計的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內電力線載波抄表領域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。ST7536是半雙工的FSK modem芯片，600bps時靈敏度為2mV，1200bps時靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊采用了數字濾波器、AFC（自動頻率控制）、ALC（自動輸出幅度控制）以及軟件上的3字節容錯等現代通訊技術。ST7536也是較早的電力線載波modem芯片，調制解調技術是較落后的FSK方式，加上3字節容錯，最高波特率只能達到400bps。另外它無CSMA（網絡載波偵聽）功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線載波抄表領域，ST7536是最適合的modem芯片。但它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按1200bps計算，每833μs中斷一次，對更復雜的應用來講，833μs間隔短了一點。

　　（3）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用現代最新通訊技術設計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻（Chirp方式）調制解調技術、現代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協議，可稱為智能modem芯片，體現了modem芯片的發展趨勢。但在國內電力線載波抄表領域使用效果還不如較早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地區頻率標準、電網特性，特別針對家庭自動化而設計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線－地藕合方式。由于針對家庭自動化，主要一家一戶式獨立住宅，所以在通訊距離上，它還采用陷波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網的家庭局域網的應用。

　　（4）PLT-22

　　PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發器，它是針對工業控制網而設計的。它采用BPSK調制解調技術以及多種容錯及糾錯技術，目前在中國電力線網上應用效果較理想。但是由于它是Lonworks網絡專用，而且價格太高，因此在市場普及上有一定的困難。

　　3 實現方案

　　數字家庭一個主要應用領域就是基于網絡實現對家電的控制，如網絡空調、網絡冰箱、網絡電飯鍋等。家電網絡化的目的在于實現用戶對家電的異地遠程監控，如通過Internet對家里的空調進行遙控操作，包括開機、關機、溫度調節等。另外，家庭電器設備與相關機構的互連，如網絡冰箱可以將冰箱內的物品消耗和存量情況通報物流配送公司。物流配送公司將根據用戶的消費習慣及時補充物品。

　　基于電力線網信息家電的實現方案可以包含兩個部分：一是家庭局域網與外部的連接?二是基于電力線布線的家庭局域網。家庭網與寬帶城域網的外部互連方式有多種，目前比較流行的大概有三類：

　　（1）HFC方式：采用現有的CATV傳輸網絡雙向功能的開發，實現用戶的寬帶接入。

　　（2）ADSL方式：利用電話線實現用戶寬帶接入的經濟而有效的方法。

　　（3）LAN方式：利用小區局域網技術，采用雙絞線構建樓宇用戶內外的寬帶互連方式。

　　組建家庭局域網的內部接入方式也有多種形式，目前正在積極實驗和試圖投入商業應用的主要方式有以下幾種：

　　（1）無線方式：以藍牙技術為代表的近距離無線接入方式在信息家電領域有較大發展。但是由于價格上的原因，普及應用上還有一些困難。

　　（2）雙絞線方式：采用分離的專門網線實現信號的傳遞，這在實際使用時有諸多不便。

　　（3）電力線方式：由于采用與電器供電線路一體化的信道方式，可避免重新布線。便于電器的任意移動。尤其適合網絡接入部分的嵌入式設計。一個基于電力線網的數字家庭實現方案如圖1所示。

　　在該方案中家庭內部的互連通過電力線實現。其關鍵設備是電力線耦合器和電力線modem。這兩部分可以作為一個整體嵌入在各個信息家電里。這種設計理念將有助于構建完整的一體化數字家庭，而且無需增加附加的布線資源。

　　圖1中，智能家庭網關是一個獨立、智能、靈活多變、標準化的家居網絡系統接口單元。它通過各種途徑（如Internet、WAP、電話、手機等）從多種多樣的外部網絡接收通信信號，然后通過家庭內部網絡將信號傳送到特定的用戶設備上，并將相應信號反饋給外部通信節點，實現整個遠程交互過程。

　　智能家庭網關是智能家庭局域網的核心部分，主要完成家庭內部網絡各種不同通信協議之間的轉換和信息共享及同外部通信網絡之間的數據交換，同時網關一般還負責家庭智能設備的管理和控制。為適用于普通的家庭用戶，網關一般設計為非PC廉價設備，采用嵌入式Internet技術和高性能微處理器。

　　智能家庭網關應具備以下功能：

　　·Internet接入功能；

　　·簡單的modem功能；

　　·Web服務器功能；

　　·簡單的內部網絡協議轉換功能；

　　·智能家居控制和管理功能；

　　·簡單友好的用戶操作界面；

　　·具有系統升級和重構功能。

　　用戶可以在任何地方通過Internet、寬帶城域網與家庭智能網關建立連接，再通過智能家庭網關與家庭內部的任何一臺信息家電或控制裝置相連，從而實現對家庭內部各種電器的控制以及其它信息的監控。家庭用戶終端和各種信息家電也可以通過智能網關與Internet或外界溝通。這樣使得整個家庭以數字方式與外界構成一種互連關系。

　　傳統家電向信息家電的過渡是一個必然趨勢，在這一過程中即有傳統產品的升級改造問題也有新產品的開發問題，其核心問題還是數字化。數字化只是一個手段，網絡化才是其真正的目的。數字家庭的實現是信息家電基于完善的家庭網絡平臺的系統集成。而電力線網在家庭網絡平臺的構建中具有極大的開發潛力。因為電力線網可以說是世界上現有分布最廣、與普通家庭關系最為緊密的有線網絡結構。如何充分利用現有的電力網絡承載電話、數據和電視信號是一個很有價值的研究課題。

　　由于我國電力線網與國外電力線網的差異，目前還沒有真正適合國內電力線網特性的載波通訊的modem芯片。另外，由于中國的電網特性、電網結構、居民住宅分布狀況、電力線載波通訊的應用領域等方面與國外也有很多不同之處。電力線載波通訊modem芯片是制約國內電力線載波通訊市場迅速增長的主要瓶頸之一。同時也延緩了中國用戶對電力線載波通訊技術的認同和接受。針對國內電網特性、住宅結構、市場要求等情況的深入研究，通過對國外電力線載波通訊技術的深入了解，利用國外先進的現代通訊技術，開發適合國內電力線載波通訊modem芯片將具有極其廣闊的應用前景。

　　針對數字家庭所進行的技術創新應該包含兩個方面：一是技術本身的創新，如新型modem芯片的開發；二是應用模式的創新，如家居網關的模型、數字家庭的應用模式等。從某種意義上說后者比前者還要重要。換句話說，設計出人們愿意接受的數字家庭應用模式在引導人們需求的同時也會對技術產生巨大的推動。

　　四、誰將是數字家庭網絡無線傳輸的理想選擇？

　　從各方面匯集的信息來看，數字家庭無疑將是消費電子行業中下一個熱點。幾乎所有的主要半導體公司向該領域發力，半導體巨頭TI更是將該領域作為續寫其DSP輝煌的舞臺。圍繞數字家庭的控制權，出現了電視（以電視為核心）、電信（以網絡網關為核心）和IT（以PC為核心）三大派別。然而，數字家庭究竟是什么？具有什么樣的內涵？圍繞數字家庭究竟能為用戶演繹出多少“故事”？無論是業內專家，還是消費者雖然都有無限的遐想，但還是很難用三言兩語給出一個統一的解釋。但可以肯定的是，數字家庭所賦予的內涵會越來越豐富，但這是應用層的事情！而支撐這些豐富應用的底層技術，或者說組網技術將會是怎樣的呢？

　　有線媒質在數字家庭傳輸中受到制約

　　盡管對于很多新裝家居來說，可能有各式各樣的布線，包括電話線，同軸線，網絡類線乃至光纖。盡管這些布線在混合組網中可以發揮一些作用，但是最大一個問題就是無法滿足移動性，也無法升級，成本也很高。電力線作為數字家庭的傳輸媒質，目前已經以HomePlug標準的形式得到了驗證，包括Arkados的多家公司都推出了HomePlug模塊，數據傳輸測試效果還不錯，從覆蓋面上都比其他有線技術要廣，似乎比較適合大量的低端主流用戶，但就中國的現實情況來看，線路上的浪涌和高壓安全問題制約其短期內還難有尚好表現。由此，有線媒質所受的制約將成全無線媒質擔當數字家庭中的組網重任。

　　圖1：以WiFi為主構建數字家庭網絡傳輸網。

　　WiFi能成為家庭網絡的理想支持？

　　說到WiFi，的確有一個很有趣的事情，即數年前許多專家都認為WiFi即將消亡，因為它有太多的局限了，歸根結底就是它沒有漫游功能，不能自組網，從而只能成為其他技術的附庸。再就是該技術缺乏競爭力的盈利模式。但是，近年來的發展情況卻令許多專家跌破眼鏡，WiFi的出貨量連年激增。目前已成為無線聯網的主流技術。然而，另一方面，投入巨資建設WiFi網絡的運營商卻無利可圖，甚至不斷虧本，最后高興的只是芯片制造商，原因就在于WiFi受到其他技術的擠壓，沒有明確的獨立盈利模式。

　　但是，數字家庭似乎為WiFi找到了一個可以獨擔大任的發揮場合。它使用開放頻段，采用直序擴頻，最大數據傳輸速率為11Mbps，也可根據鏈路衰落狀態把傳輸率動態調整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬。無需直線傳播傳輸范圍為室外最大300米，室內有障礙的情況下最大100米，足以滿足家庭應用，其“無線保真”的本意似乎也和家庭娛樂需求更為貼合。所以，無論是從傳輸率，還是覆蓋都好像很符合數字家庭的應用。當然，也不乏與其激烈競爭的技術，WiMedia 陣營的UWB就是其中一項。Pluse Link的CWave采用的就是這種技術。UWB采用了很多頗具優勢的底層技術，包括MIMO，OFDM，數據率目前已經高達近1Gbps。但這項技術側重的高數據率，其過短的覆蓋距離將會制約它在數字家庭中的表現。

　　數字家庭的一個必不可少的功能就是與外界的互連問題。如今，802.11g是WiFi最成功的無線標準。基于WiFi的特性，使得該技術與網絡層的無線技術顯得更為友好。這可能就是該技術目前在數字家庭領域占據較大份額的原因之一。Broadcom公司無線連接集團無線局域網絡（WLAN）事業部副總裁兼總經理Michael Hurlston認為，WiFi如今已經成為數字家庭的最理想的支撐技術。他的理由很簡單：那就是針對今天的各種應用，Wi-Fi能夠以消費者可以承受的價格提供足夠的帶寬和覆蓋距離。近些年來，Wi-Fi制造商們已經在產品安全性和易用性上取得了可喜的進步。其帶來的直接結果，就是Wi-Fi市場的持續膨脹，以及針對各種特殊應用出現的不同變體。另外，他認為隨著802.11g逐漸下降的價格、功耗以及技術集成度，將會持續推動其進入數字家庭應用市場，包括移動電話、打印機和媒體播放器。

　　還有一個不可忽視的因素，就是802.11n正在迅速成為無線PC和路由器的事實標準，這將為高速數據傳輸應用提供了額外的支持。這些應用包括數字家庭中的視頻流傳輸，3D游戲等。802.11n為WiFi提供的5G頻段，更是為WiFi添加了新的動力，使之具備了進入包括機頂盒、高清電視、媒體播放器等消費類電子領域的能力。“通過兩個標準的互補，使得WiFi生態環境將繼續改進人們在家庭中的溝通方式以及對媒體節目的享受體驗”，Hurlston認為。

　　但另一方面，無論是802.11g，還是802.11n，其頻率的衰落特性在數字家庭中都將受到考驗，尤其是后者。需要考慮的應該是事情的兩個方面，一方面要考慮建筑物衰落特性對應用QoS的影響，另一方面還要考慮加大功率時產生的綜合EMI問題。尤其是中國單元式住房結構與西方國家有很大的不同。

　　ZigBee還能否趕上數字家庭的盛宴？

　　數字家庭中有很大一塊任務屬于控制域，即傳感器網絡的范疇。涉及到安全監控，自動抄表，遠程控制和維修，各種電子電氣設備的控制等。這類任務無需太高的傳輸速率，但可靠性和網絡體系更為主要。這些特性似乎決定了ZigBee成為其最為理想的選擇。飛思卡爾香港有限公司無線與移動系統事業部市場經理鄺景亮就是如此認為的，他說：“ZigBee具有路徑選擇、自動連結網絡及自我恢復等主要功能，非常適合數字家庭中的監控、控制與感測式網絡應用”。但他同時認為，目前由于設備更新和成本問題，ZigBee將首先僅在燈光控制中得到應用。

　　圖2：ZigBee網絡中的三級設備類型。

　　ZigBee協議定義了三種節點類型-網絡協調器、路由器和終端設備。ZigBee網絡協調器是整個網絡的中心，它負責的功能包括建立，維持和管理網絡，分配網絡地址等。協調器可以通過選擇網絡的工作信道和個域網識別標志（PAN ID）來啟動一個ZigBee網絡。一旦網絡啟動，路由器和終端設備就能加入網絡并通過網絡發射和路由數據。該網絡具有嚴格的級別管理，終端設備不能參與路由數據，因此在不發射和接收數據時可以休眠。這些特點恰恰與數字家庭中的控制功能相匹配。ZigBee的覆蓋距離最大為近100米，這點與家庭應用也比較貼合。

　　其實，ZigBee還有另外一個優點，那就是工作頻段問題。該技術除了ISM頻段外，還支持其他多個頻段。有不少工程師認為400M和800M頻段對數據家庭網絡可能都是不錯的頻率選擇。的確，這些頻段對中低速數據傳輸有優勢，尤其是許多公司都有成本很低的收發器模塊。從而在成本上更有優勢，另外，也有利于無線電愛好者開發相關產品，從另一個方面促進數字家庭網絡的推廣。

　　然而，ZigBee網絡也存在著一些問題，如由于網絡地址重復和更改而造成的尋址機制的缺陷，面對目前不斷增加的組網能力和安全需求，協議中的存儲容量難以滿足802.15.4MAC/PHY、ZigBee網絡層以及其他所期望的應用功能需求。還有一個關鍵缺陷是，ZigBee不能夠像藍牙技術那樣，支持信道的動態切換。這對未來數字家庭中WiFi，ZigBee混合組網以及QoS的保證都將是一個挑戰。

　　除了技術本身，ZigBee聯盟自身存在的問題也對該技術能否在數字家庭中大顯身手蒙上一層陰影。那就是如何針對現有協議標準進行升級的問題。由于商業利益，標準的幾大關鍵發起廠商各說各話，都不愿放棄對己有利的條款，始終難以達成有效的折衷。也正是這一點，使得該標準的進展就像老牛拉破車一般緩慢。

　　也正是由于上述因素，迫使不少廠商另辟新徑，許多準ZigBee的解決方案不斷涌現。如ST，Jennic，Maxstream以及富昌電子等公司的簡易ZigBee解決方案。這些簡易方案已經在家庭控制等許多方面得到了不少的應用。

　　從目前的態勢來看，市場需求對ZigBee的壓力似乎還不夠大，因為數字家庭技術還處在探索階段，受社會服務器網絡以及管理體制等多方面的制約，中國的數字家庭市場似乎還不會那么快膨脹，這給ZigBee提供了喘息的機會。但筆者認為，任何時候都不要忘記中國消費者在這方面的超前習慣，早期培育有利于厚積薄發。

　　家庭網絡中的QoS和安全更為關鍵

　　雖然不同于運營商級網絡，數字家庭網絡中的QoS也是非常關鍵的。關于保證QoS的MAC，如今的數字家庭解決方案中似乎少有人提及，而是將注意力都放到了帶寬上。實際上，數字家庭網絡的QoS的重要性只會比現有局域網更高。試想，當你正在全神貫注地欣賞點播的高清節目，誰能樂意不斷地被其他不相關的業務所打擾？

　　值得欣慰的是，已經有公司注意到了這個問題的重要性。已經有公司推出支持IEEE802.15.3b MAC的芯片。這種MAC是支持IP的，從底層開始設計。利用該MAC，就能支持同步的數據流，實現數字家庭中不同地點的大容量娛樂內容的可靠配送。

　　還有一個關鍵就是數字家庭網絡中的安全技術。目前，已經很多人將個人金融或家庭銀行列入數字家庭中不可或缺的一部分。的確，在家里辦理各種金融業務及理財，似乎在地理上非常安全，再也不用擔心偷拍偷錄等侵犯金融安全的行為，還解決了隨時的問題。但隨之而來的就是網絡安全問題。這不僅是傳輸網絡的安全，而且無論是哪種控制核心，其本身也都是必須考慮的安全環節。

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