家庭網絡互聯技術與數字家庭組建方案探討

趙玉民

（廣州廣聯數字家庭產業技術研究院，廣東 廣州 510006）

責任編輯:許 盈

0 引言

現在，家庭大都安裝有電視、電話和各種家用電器，當采用計算機上網時，則家居需裝ADSL的Modem或接入寬帶的高速以太網線（Internet），當家有多臺PC機上網時，還需裝有線/無線以太網的路由器（即簡單的家庭網關），這樣就構成了簡單的數字家庭網絡。所以，現在各個家庭的布線有:電信的電話線、寬帶Inter?net的網線和廣播電視的電視電纜，即3種網分別安裝的線路，再加上電力線（Power Line）共4種線路。目前家庭網絡的介質，分別向電話線、電源線及無線網絡等方向發展，但也有廠商為求得更佳效能，發展必須全新布線的家庭網絡系統。

數字家庭（Digital Home）概念是近年消費電子領域的開發熱點，已成為各大廠商爭奪的焦點。數字家庭將計算機、通信與消費電子設備（3C）融合進家庭中，是實現家庭信息化的一種新概念，可為家庭提供集成的通信、電視、安全防范、家居管理、家電控制等功能。數字家庭涉及的主要技術是家庭聯網技術與家庭網關技術等，主要解決兩個問題:

一是解決家庭內部設備組網問題，建立智能家庭網絡，將原來分立的電話、電視和PC機上網等信息服務系統有機地結合在一起，即電信/電視/互聯網三網在家庭內的融合，實現帶寬共享并在家庭范圍內實現多媒體和娛樂資源的共享；同時集成現今智能家居功能，將與家庭生活密切相關的自動抄表、可視對講、安全/防盜報警系統、家電控制與家居管理系統等各子系統組合起來，進行集中的信息采集、監測和控制、調節，形成以家庭網關（RG）為中心的統一智能家庭網絡。

二是解決智能家庭網絡與外部電信網/Internet/電視網三網的寬帶互聯與接入問題。這是通過家庭網關來實現的，家庭網關起著承上啟下的橋梁作用:它一方面與外部三網互聯，使整個家庭網絡與外部網絡互聯，實現家庭內部設備與外部網絡的互通與信息交換；另一方面,它對下連接家庭內電話、電視、PC及各種終端組成家庭網絡，又是家庭網絡的核心，是家庭信息網絡和安全及電器自動化的監控管理中心，使家庭用戶可以獲得各種信息服務，并使信息與媒體在家庭內部終端之間充分共享，是家庭娛樂的多媒體中心。

其中，解決家庭內部多種終端之間的物理互聯的組網技術是構建家庭內部網絡的基礎設施，是支撐數字家庭豐富應用的底層技術，是數字家庭最為關鍵和最困難的部分。只有家庭網絡化（特別是無線網絡化）才是未來數字家庭發展的唯一方向。因此，本文下面重點討論數字家庭網絡的組網與互聯技術。

家庭信息化將是三網融合發展的源動力，是三網融合發展的靈魂[1]，數字家庭網絡是國家“十一五”提出的推進三網融合在家庭環境下的具體體現和起點，作為寬帶網絡的延伸和寬帶增值服務的擴展，如何根據各家各戶的實際情況和需求研究經濟實用而切實可行的數字家庭網絡組建方案，發展技術體系統一的家庭網絡，探討推進“三網融合”的有效途徑具有重要意義，以便為廣大家庭用戶提供更為個性化、專業化、多樣化的廣播電視和信息服務，有利于推進國家信息化、社會信息化和家庭信息化建設。

本文下面首先概括介紹數字家庭的概念和對網絡組建的需求和技術指標要求，然后簡要介紹現今國內外數字家庭網絡技術的研究及其發展、應用狀況，對各種技術方案進行分析、比較；最后探討了其最優的互聯方式與技術方案，重點探討了既保障數字家庭多種終端互聯組網以支持多種業務應用與信息共享、高吞吐量以傳輸諸如高清晰電視等高質量音視頻內容、高QoS以確保流暢不間斷的數據傳輸，同時又保障聯網布線/改線最少、成本最省、使用簡便的技術方案。

1 數字家庭網絡的概念和對組網的要求[2-3]

數字家庭的概念中，設備和網絡是兩個不可缺少的組成部分，設備是最終功能的直觀體現，網絡是確保數字家庭功能實現的基礎保障，關系到數字家庭諸多功能能否實現。為此，下面首先介紹數字家庭網絡概念，然后從用戶需求出發，討論對組網的要求。

1.1 數字家庭網絡的概念[3]

數字家庭網絡最終的發展目標是:一是完成家庭內部各種設備組成網絡，實現資源共享、協同工作；二是實現與外部網絡（電信網/互聯網/社區網）的連接，實現家庭內部設備與外部網絡信息交流的目的，使用戶能獲得豐富多彩的業務服務和應用享受。

數字家庭網絡概念的提出涉及到了電信、家電、IT等行業，從提供業務/服務的角度涉及到信息服務提供商、電信網絡運營商、小區物業等角色，從產品的角度來說，涉及到了通信網絡設備和終端設備制造商，IT行業的芯片提供商、軟件提供商和終端設備制造商以及家用電器制造商，這些行業對家庭網絡和技術標準有各自的理解，目前正在走向融合，正朝著提供話音、音視頻、數據整合業務的趨勢不斷發展。究竟哪項技術獲勝，依賴于其技術的突破和廣泛應用，并且是由應用需求牽引技術和產業的發展。

IT/家電行業最早提出家庭網絡的概念，認為數字家庭網絡指的是家庭的信息設備、通信設備以及消費電子設備，包括PC、電話、電視機、DVD等組成的家庭內部網絡，可在這個寬帶網絡之上獲取高速上網、VoIP、電視以及各種以數字娛樂為主的應用。

通信行業認為家庭網絡用戶是從普通的電信業務用戶和企業用戶拓展延伸出來的一種用戶群。數字家庭網絡與電信網絡進行連接，通過家庭網關將公共網絡功能和應用延伸到家庭，它不強調家庭內部各終端設備的互聯，但能實現對外出口帶寬的共享。

社區/居民小區物業認為家庭網絡應與小區自建的網絡相連，是智能化小區的概念延伸到家庭，支持自來水、煤氣、電力、暖氣的遠程集中抄表。可提供小區和家庭安防，直接將安防信息和警報發給所在小區警備室、街道派出所、公安分局等。接入小區服務、社區醫院等系統，只要用戶觸發按鍵，位置信息將自動發送到小區急救平臺或者相關社區醫院。

應該說，IT行業、通信行業、家電行業都在談數字家庭，不同的行業都在期待數字家庭能夠幫助各自的產業朝著健康的方向發展。

目前，IPTV業務被認為是數字家庭網絡中的一個主要應用，數字電視機、IP機頂盒等終端產品成為家庭網絡設備中的主要消費市場。

1.2 數字家庭組網的需求分析

數字家庭網絡最主要的困難和關鍵的技術難點是絕大多數的家庭網絡使用者對網絡的要求是“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”的苛刻要求:

1）低成本、低復雜度、易于使用和三網融合的要求。絕大多數消費者不會愿意花大錢投資網絡，他們希望最好是不要布線，即插即用，或盡可能地簡單布線、便宜、安裝容易且使用簡便，并要求耐用，更不能有后續的復雜維護和維修。

因此，對現在已建成的家居要求盡可能不重新布線施工，充分利用現在已有的家庭內部布線或無線物理介質進行家庭網絡的建設；對將要建設的未來智能家居要求盡量不要布線或至少減少布線及其種類，從而盡可能降低家庭為布設高速網絡進行復雜施工和裝修的費用與麻煩。這實際上是提出了在家庭范圍內實現三網合一和業務融合的需求，實現3C（計算機、通信和消費電子設備）的融合，以節省家庭開支，應用簡化便利。

2）功能/實用性（業務能力）。從現在大多數家庭的需求來說，主要用途一是收看廣播電視，即現在的“機頂盒”功能，更進一步希望得到高清、3D電視和互動電視等高端信息化服務，適應國家關于推進三網融合總體要求的正在建設的雙向、交互、多功能的新一代數字電視網絡的要求，為家庭用戶提供更為個性化、專業化、多樣化的廣播電視和信息服務。二是提供通信、上網的服務，能支持不同終端，包括無線/有線、固定/移動，也支持帶寬的分享，保證能將家庭內不同的數字多媒體設備（如臺式PC、筆記本計算機、IPTV以及PS2或Xbox游戲機等）在同一時間段內通過不同的網絡聯到互聯網上，從而獲得遍及整個家庭的涵蓋通信、數據、音視頻與娛樂的更廣范圍的服務。三是進一步發展的要求，希望能提供自動抄表（三表）、家庭安全、消費電子設備（CE）監控與管理等需求。

因此，整個數字家庭網絡涉及三大網絡:第一是多媒體網絡，第二是信息網絡，第三就是控制網絡，即要求構建一個家庭網絡平臺，它是建立家庭信息網絡和控制網絡融合的基礎，不僅將寬帶網連接到家庭，同時通過家庭網絡平臺將住宅內的電話網絡、電視網絡、計算機網絡以及家庭自動化監控網絡合理地融合在統一的家庭網絡平臺中，要求能承擔包括語音、數據、多媒體、高質量音視頻以及控制和管理等傳輸業務和應用，這是構建家庭網絡的根本目的和要達到的目標。

3）帶寬是實現上述功能和服務需求的必要條件。在數字音視頻、娛樂應用和信息服務逐漸成為數字家庭的主要應用方向的情況下，對大帶寬（網絡傳輸速度）、支持多種多媒體應用的要求將使其成為重要指標。

人們經常應用和關心的主要是音視頻網絡和為用戶提供數據業務服務的信息網絡，多媒體信息的分發和傳輸，特別是對高清數字電視的傳輸和雙向業務需求，要求能夠提供高吞吐量以傳輸諸如高清晰電視等高質量音頻、視頻內容，目前情況下其最低的門檻應超過100 Mbit/s；同時也希望兼容家庭安全、抄表、控制等低速數據的窄帶需求，而無需另來一套諸如ZigBee的設備等。

4）服務質量（QoS）是實現上述功能的充分條件，同樣也是消費者關注的重要指標，即質量、性能保證。在家庭網絡中，必須支持各種需要大寬帶的多媒體內容。同時像電視、DVD播放機等均為連續的媒體流，要求同步性，因此QoS的效能也相當重要。要求必須提供優質的QoS，以確保流暢的、不間斷的數據傳輸，保證家庭網絡在傳輸視頻、音頻時能忍受的最低限度干擾的能力，以避免應用中出現傳輸中斷、信號時好時壞，保證穩定性、可靠性。

除上述4項需求之外，下述幾項要求對數字家庭的應用也是十分重要的，是家庭組網和構建網絡時必須考慮的因素:

1）網絡的穩定性和可靠性。因為家庭應用，其穩定性和可靠性的重要性是不言而喻的，例如電視機的MTBF不低于10000 h。可靠度還指，必須能夠隔絕來自家中電器設備的干擾，如微波爐以及無線電話等。

2）擴充性。由于數字家庭CE隨著年代不斷更新，同時家中連網的設備會越來越多，因此為避免重復投資，擴充性就成為一大考慮。

3）標準兼容性。要獲得主流市場的認同，家庭網絡標準是不可或缺的要素。此外，避免買到即將過時的產品，必須兼具互通性（Interoperability）與未來的應用兼容。

4）成功的數字家庭網絡組建方案要成為統一標準的技術，為能以最低的成本、最省的時間、精力進入快速批量化生產，除上述標準化、模塊化、系列化外，還需要獲得眾多芯片制造廠商和設備廠商的支持。

2 現代家庭網絡互聯技術的研究和發展現狀

為了盡可能不對現在已建家居重新布線施工，充分利用現在已經有的家庭內部布線或無線物理介質進行家庭網絡的建設；對將要建設的未來智能家居要求盡量減少布線及其種類，盡可能降低復雜布線和裝修的費用與麻煩。因此，在數字家庭組網中，國內外各公司廠家對于RG內部與各設備間的互聯的技術研究結果為:一是利用現在家庭已有布線的有線傳輸技術，包括五類線（以太網線和電話線）、電力線（PLC）、有線電視同軸電纜等；二是采用不需布線的無線通信方式，如WiFi、ZigBee、藍牙和無線UWB等；三是有/無線混合方式等。每種技術都有其特點和適用的范圍，也有其局限性和缺點，沒有十全十美的技術和方法。圖1概括了現今已通用的和新開發的具有廣闊前景的幾種家庭網絡傳輸技術與方案，下面根據文獻[4-7]分別概括其技術研究、發展與應用情況，并進行比較分析。

圖1 現今應用和開發的幾種家庭網絡傳輸技術與方案比較

2.1 有線組網與互聯技術[8-9]

家庭有線組網方式均采用房內已有的電力線、電話線/網線（雙絞線或五類線）或電視電纜。根據所用布線的不同，有基于電力線、五類線或電視電纜的有線組網方式和技術。

1）基于五類線的組網與互聯技術

這是基于家庭的電話線、以太網線傳輸，通過在雙絞線上調制信號承載數據，提供家庭所有設備的組網與互聯網技術。RG內部與各設備間的互聯最通用的連接方式是以太網，可以采用以太網的接口和五類線進行互聯。

（1）以太網技術

在目前的網絡世界里，Ethernet是一種非常普及、市場占有率最高的連接技術，所有計算機聯網（局域網）均采用以太網線。它基于IEEE 802.3相關的一系列協議，基于IEEE 802.1p的QoS機制，以雙極性（差分）信號形式傳輸以太網基帶信號（0.5～25 MHz），可提供從10～100 Mbit/s甚至千兆的傳輸帶寬。以太網技術相對比較簡單，在目前的家庭設備互聯中是最簡單也是最普及的，通過家庭網關的配合，可以滿足語音、視頻、數據多種信息流的QoS要求。但以太網線不是一種共享式的總線，在家庭有多臺計算機應用時需增加家庭Hub（路由器），并對家庭布線有較高的要求，存在調整靈活性差、節點不具備移動性等問題。

（2）Home PNA（家庭電話線網絡聯盟）技術[5-7]

Home PNA于1998年由3Com，AMD和IBM等11家公司共同建立，到2000年，已經有150多家公司參加了這個聯盟。其目的是利用現有電話線路傳輸寬帶數據信號，無須重新布線，以類似于以太網的技術滿足用戶寬帶上網的要求，提供一種低成本高寬帶網絡的解決方案。該技術采用以太網CSMA/CD協議、頻分復用技術，實現上網的同時不會影響電話使用和收發傳真。

1998年HomePNA1.0標準頒布，其上下行速率均為1 Mbit/s，最大傳輸距離為150 m，可連接25個設備。1999年HomePNA2.0標準中的上下行速率均為10 Mbit/s，最大傳輸距離為300 m。2005年5月，國際電信聯盟（ITU）推出了數據傳輸率達128 Mbit/s，并可擴展到240 Mbit/s的HomePNA3.0規范。2007年3月，ITU宣布HomePNA3.1規范，這是目前唯一國際承認的家庭網絡技術標準，允許服務提供商通過家庭內部電話線和電纜以最高320 Mbit/s的速度提供高速的三重業務整合等互聯網服務。然而，HomePNA的推廣要求安裝電話插座，這無疑是一個障礙。

2）基于PLC的組網與互聯技術——Home Plug技術[5-8]

電力線遍布城鄉和家庭的各個房間，其覆蓋面是任何網絡無法比擬的；PLC通過電力線傳輸數據只需電源插座內嵌入調制解調器即可通信，不需要增設更多的線路及設備，使用簡單，成本低廉，有利于信息資源共享和家電上網。

基于PLC的聯網由Home Plug電力線聯盟、通用電力線聯盟（UPA）和消費電子電力線通信聯盟（CEP?CA）等行業組織推動，各組織根據其特定技術制定了內容廣泛的標準，并努力將自己的標準向全球推廣。他們均是將家庭中的電源線作為家庭網絡基礎設施，通過覆蓋于整個家庭的電源線，進行家庭內部音頻、視頻、數據業務的傳輸。其中家庭插座聯盟組織主導的基于電力線的傳輸技術——Home Plug技術，用戶只需簡單地將Home Plug適配器插入一個標準的電源插座，然后將基于以太網、USB、WiFi標準的計算機或其他設備（如寬帶路由器）與該適配器連接，則家庭內這些設備之間將立即能通過電源線建立網絡連接。Home Plug技術采用類似以太網的傳輸機制，工作頻率為2～28 MHz，采用OFDM技術，在其頻帶范圍內采用917個子載波和BPSK～1024QAM的調制方式，使物理層傳輸速率達到200 Mbit/s，信息速率可達150 Mbit/s；具有Turbo卷積碼前向糾錯、通道預估和自適應調制的能力。MAC層采用TDMA和CSMA/CA（載波偵聽多址訪問/沖突避免）協議，用于支持高QoS連接和分優先級的業務，并且專門考慮AV高帶寬、低時延的要求。

家庭插電聯盟自2000年成立以來，陸續制定了一系列的PLC技術規范，包括HomePlug 1.0，Home?Plug1.0-Turbo，HomePlug AV，HomePlug BPL，Home?Plug Command＆Control，形成了一套完整的PLC技術標準體系，基本上覆蓋了所有電力通信技術的應用領域。

HomePlug AV是PLC有關音頻/視頻寬帶家庭網絡的技術規范，它支持多個數據和視頻流的分配，包括遍布整個家庭的高清晰度電視（HDTV）和標準清晰度電視（SDTV），支持家庭娛樂應用，包括HDTV和家庭影院。

目前電力線聯網還未獲得廣泛接受，原因在于人們對其提供的通信質量還有疑慮，除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數據可靠通信的關鍵因素。另外由于高速電力線通信需要在電力線上注入高頻信號（2～30 MHz），有可能給其他通信系統帶來電磁干擾，因此高速電力線通信電磁兼容標準的制定是制約其在各國快速發展的主要因素。

3）基于電視同軸電纜的組網與互聯技術[9-11]

分析上述基于五類線（LAN/電話線）、電力線的各種互聯與組網技術方案，其信號傳輸特性（包括衰減、幅頻、相頻等特性）、輻射屏蔽特性及EMC等，肯定不及專用的有線電視電纜的傳輸特性好。電視傳輸用的屏蔽電纜，具有簡單、穩定、安全及低費用等優點，適于很寬頻帶信號的傳輸（5～1000 MHz以上），衰減小、泄漏小、屏蔽好、幅頻特性平坦等。因此，上述五類線、電力線的各種互聯與組網技術越來越多地采用同軸電纜傳輸，向同軸電纜的技術發展，如MoCA技術、HomePNA over Coax、Homet Plug AV 和 WiFi over Ca?ble等一樣，通稱為EoC（通過同軸電纜傳輸以太網）。按其標準與非標準來劃分共可分為10大類，其中標準的有基帶EoC，HomePNA3.0，MoCA，同軸WiFi over Ca?ble和Homet Plug AV；非標準的有BIOC，UCLINK，Ca?ble—BAS，EPCN和Cabel RAN（見圖2和表1）。目前，P1901和G.hn是其關注度最高的技術。

圖2 基于同軸的家庭網絡各類EoC系統比較

表1 基于同軸的家庭網絡各類EoC系統的分析比較

由上可知，Cable擁有較寬的頻率范圍、高帶寬等特性，可提供高質、高速的數據傳輸，提供真正的多媒體功能；同軸電纜工作在一個受保護的頻段，電纜線路始終通暢（不用撥號，沒有忙音），在同軸電纜網絡中基本不會受到干擾；多用戶使用一條線路（包括完整的電視信號）等。

EoC技術的主要優勢有:安裝簡單，即插即用，快速部署，無需重新布線，無需擾民；體積小，重量輕，適用于家庭、樓道和小區安裝；安全可靠，運行穩定，經濟實用；TV接口可兼容所有主流有線電視設備如分路器、電視機、光發機等；Data接口可兼容所有以太網設備如交換機、路由器、IP機頂盒、PC等；內嵌嵌入式系統，可通過http方式登陸進行各種管理設置如設置IP、密碼等；支持全雙工、半雙工模式；支持10/100（Mbit·s-1）自適應。目前大部分EoC技術都能提供雙向100 Mbit/s以上帶寬，抗噪聲干擾能力遠高于Ca?ble Modem，可在惡劣的網絡環境下工作；支持IEEE802.310Base-T(以 太 網 ，10 Mbit/s)；支 持IEEE802.3u 100Base-TX（快速以太網100 Mbit/s）。

2.2 無線傳輸與組網技術[12-14]

無線傳輸的最大優點在于擺脫了線纜的束縛，因為用戶可能需要添加、更換和升級電器，不同的接口和線纜是一件令人頭疼的事。所以，無線家庭網絡是未來的一大發展趨勢，它可以滿足用戶對于家庭網絡的靈活性、連續性等性能的需求，解決安裝有線系統所需的高成本和不方便等問題。可用于組建家庭網絡的無線技術，主要有 WLAN（WiFi），Home RF，UWB 和 60 GHz等寬帶的高速率(或相對高速率)無線技術，和Bluetooth，DECT，IEEE 802.15標準、ZigBee和Z-Wave等用于組建家庭監控網絡的低速率無線技術。

1）WLAN（WiFi）技術[7,11,13-14]

無線局域網（WLAN）技術適合無線家庭網絡應用的成熟技術，現今許多上網家庭都購置了無線WLAN路由路，可接入電話網或寬帶網，有4個以太網口，用于多臺PC機同時上網，還具有WLAN無線發射用于帶無線網卡PC或筆記本上網，實現家庭接入和共享資源。目前已普及54 Mbit/s碼速率，也有≥100 Mbit/s商品。隨著802.11n的普及，未來WLAN將成為視頻流傳輸的載體，盡管有線技術實施起來更可靠，但是在QoS和吞吐量方面逐漸得到改善的WLAN，由于具有移動性將會使其占據優勢地位。802.11n平臺不但擁有300 Mbit/s以上的速率，更重要的是，它是首個能夠同時承載高清視頻、音頻和數據流的無線多媒體分發技術。此外，802.11n產品還提供并發雙頻操作，能為寬帶多媒體應用提供更多的信道容量。

但WLAN潛在的問題是:一是覆蓋范圍存在隔墻阻礙問題；二是有可能導致串擾，丟失數據，以及不穩定、安全性問題等。

2）超寬帶（UWB）技術[7,11,13-14]

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是一種使用1 GHz以上頻寬的先進的無線通信技術。雖然是無線通信，但其擁有100 Mbit/s～2 Gbit/s的數據速率。UWB的特點在于直接按0或1發出瞬間尖波形電波，由于只在需要時發送出極短瞬脈沖，因而耗電極省，且在傳輸手段上有很大優勢，具有高吞吐量，能夠支持播送高質量視頻的多通道流，有效改善家庭用戶的安全性，非常適用于創建一個無線家庭多媒體網絡。

UWB的最大問題是難以解決的傳輸距離、速率和抗干擾問題，經過數年的時間仍未見任何進展，整個過程幾近停滯。因此，圍繞UWB的標準之爭從一開始就非常激烈，曾經有二十幾個標準參與競爭，目前只剩下了兩個，它們是來自Freescale的DS-UWB和由TI倡導的MBOA。實際上UWB是個完整的架構，DS-UWB和MBOA是構成其最底層的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），在其上面是WiMedia的匯聚層，在WiMe?dia匯聚層的上面就是應用層面的無線USB、無線1394和其他的應用環境，這些層多已被IEEE 802.15.3a確認。采用WiMedia UWB標準的WiMedia通用無線電平臺是實現傳輸速率高達480 Mbit/s（更高的傳輸速率正在開發中）的無線個人局域網（WPAN）的基礎。

3）60 GHz無線技術[7,11,13-14]

60 GHz無線技術是由LG、松下、NEC、三星電子、索尼以及東芝公司組成的WirelessHD小組推動的組建家庭網絡的另一無線技術。這種技術使用尚未被批準的60 GHz頻段，在10 m范圍內，以高達5 Gbit/s的速度在家庭內的娛樂設備之間傳送未經壓縮的高清視頻和音頻數據。2008年1月，WirelessHD 1.0規范發布。

但WirelessHD技術在許多方面都還處在理論與實驗室階段，其理論上的最高傳輸能高達20 Gbit/s，但實際上第一階段只能達到5 Gbit/s；理論上能夠進行非視線內（NLOS）的穿透性傳輸，但目前只能提供視線（LOS）傳輸。該新興技術將同已有的1394FireWire，HDMI、802.11n以及UWB等技術進行競爭。

2.3 混合的有/無線傳輸技術(Hybrid Wireless/Coax)

從以上的有線和無線組網方案可知，兩者各有優勢和不足，所以現今又出現了第三類即二者混合，采用有線加無線的構建方案。這樣可以在不沖突的前提下集兩者優點于一身，而又可以通過互補來彌補其不足。可以看到，未來家庭網絡將維持向有線搭配無線技術的方向發展。雖然無線傳輸技術近年來多應用于家庭網絡，但以空氣作為傳輸介質存在比較高的不穩定性，有線傳輸由于被纜線包覆，更能保證傳輸質量。因此未來家庭網絡傳輸技術將仍以有線為主，兩者以共存的型態相輔相成，皆是家庭網絡的構成要素。

不同傳輸技術將在家庭網絡內互相協作，共同發展，未來的家庭中可能會采用兩種或多種傳輸技術的組合。現今已提出且成熟的有:無線局域網（WLAN）有線/無線傳輸的技術，即WiFi over Coax，新開發的同軸電纜1394或USB技術等。

1）同軸電纜WiFi技術方案（WiFi over Coax）[10-11]

WiFi over Cable是一種基于802.11系列標準無線網絡技術的Cable傳輸方案，可使用戶實現無線接入和共享網絡資源。作為一種無線信號，WiFi信號在Cable中傳輸時損耗小，覆蓋范圍大，不存在干擾和被干擾問題，同時具有較好的安全性。因此，WiFi同時在Cable和空中進行數據傳輸。

從上述家庭WLAN網可知，WLAN適于家庭應用，但受隔墻、障礙物等影響，傳輸質量、穩定性等無保障。使用WiFi over Cable后，通過Cable穿墻引入房間，同時通過空中傳輸實現房間內覆蓋，這樣既保持了無線連接的方便易用，又通過Cable在保持高速率、高質量的情況下增大覆蓋范圍，解決了干擾和安全性問題。

WiFi over Coax不同的廠家實現的方式略有不同，主要差別在于使用的頻段不同:直接采用2.4～2.5 GHz的S頻段[9]或下變頻到1 GHz以下的頻段工作。因為在我國的電視電纜的工作頻帶是5～1000 MHz，當直接采用S頻段工作時，會使電纜和無源分支分配器的損耗很大，更換2.5 GHz的分支分配器會導致工作量大、成本上升、器材浪費。因此提出采用下變頻解決方案，將工作頻率降至1 GHz以下[10-11]。

Pulse-Link 公司采用 C-Wave（Continuous Wave）UWB技術支持在現有的家庭同軸電纜上實現高達800 Mbit/s的數據傳輸速率的新1394標準(與該技術的最高速率相吻合)。該數據傳輸速率大大超過了當前無線局域網技術所能提供的速率。同時，也明顯高過當前使用同軸電纜方案的MoCA技術。同軸電纜1394技術將可能作為主干網進行服務，通過使用傳統1394線以及連接器的設備來連接1394設備集群或者信息孤島。

2.4 現代數字家庭網絡互聯技術的發展趨勢

通過上述各種家庭局域網解決方案的優點與不足的介紹與分析，可以清楚地看到，實際隨著技術的發展，家庭局域網種種解決方案的實施中有兩個重要的主流發展趨勢:一是3種有線方案均朝專用的電視電纜主流方向發展；二是向無線的主流方向發展。除此以外，家庭聯網的另一個重要趨勢是帶寬將不斷增長，以滿足視頻流應用的需求。所以，下面重點討論基于同軸線傳輸的幾種寬帶方案和基于WiFi無線傳輸方案的發展和趨勢。

1）基于電視電纜傳輸的有線互聯方式發展趨勢[10-11]

從上述分析可知，3種有線方案中以有線電視電纜最具優勢，由于同軸電纜具有寬頻工作范圍、高帶寬、無干擾等優秀的特性，因而可把以太網數據與有線電視信號饋入同一電纜互不影響地傳輸，使用戶在只使用有線電視網絡的情況下既能接收到有線電視信號，還能擁有獨享寬帶的雙向網絡接入，承載以太網、IP業務。同時，我國推進三網融合和有線電視網絡雙向化改造也是作為對現有的單向有線電視網絡進行雙向改造的一種解決方案，通過同軸電纜傳輸廣播電視業務、使用IP協議實現雙向數據業務，支持電視廣播、寬帶互聯網接入、語音服務、視頻點播、網絡游戲等業務。

因此，基于Cable的高速家庭網絡引起了許多公司和廠商越來越多的關注，成了現在三網融合、家庭組網一個重要發展方向。“同軸以太網”EoC（Ethernet over Coax）是當下雙向網改造中最熱門的技術之一，成為了雙向網改造技術中的“寵兒”。它不僅可以實現家庭內部設備互聯，也可以在接入網建設到樓道后用于最后100 m接入，實現有線電視網雙向化改造。采用電視電纜傳輸的組網方案，包括基于高頻段傳輸的MoCA、HiNOC（安排在865 MHz以上頻段）和基于低頻段傳輸的HomePlug、Home PNA(安排在5～65 MHz頻段傳輸)等方案。另外，基于電力線(PLC)傳輸方案HomePlug還可考慮直接改用同軸線的傳輸方案(itenon現成技術與產品)，其傳輸損耗肯定小于電力線的衰減，既不受人干擾也不干擾他人。

2）無線(WiFi)傳輸方式的發展趨勢[12-14]

WiFi技術方案（WLAN）采用802.11b/g/n標準，是一種經廣泛驗證和規模使用的無線技術。許多專家經過對這幾種技術的對比和分析后，認為802.11x在成本和多廠商支持方面顯示出了優勢，綜合比較中最具競爭力。隨著802.11系列向下一代802.11n演進，帶寬將達到320 Mbit/s，并且將和MIMO進行結合，在覆蓋范圍上將得到顯著的改進。在IPTV部署過程中，為避免布線的麻煩，同時提升網絡部署靈活性與便捷性，采用無線WiFi傳輸的方式是未來發展的方向。

從目前以PC共享上網為主要應用模式的家庭網絡服務來說，WLAN（無線局域網）是一種比較有優勢的技術，市場數據也顯示WLAN目前在家庭中的占有率也在迅速增加。目前，越來越多的終端內置了WLAN模塊，同時越來越多的消費類家庭電子設備，無論是固定的還是便攜式的，都集成了WLAN功能，成為數字家庭網絡環境中的新成員。像掌上游戲機、IP語音電話（VoIP）系統、便攜式媒體平臺（如MP3與DVD播放器）、IP手機以及數碼相機等設備的制造商通過實現WLAN連接，為用戶帶來更出色的體驗效果。

盡管802.11n解決了部分問題，但仍難以完全解決所有問題，尤其難以解決無線傳輸的穿透墻壁等障礙物的陰影效應問題。因此，需要配合采用有線連接技術來協助WiFi技術實現在整個家庭內傳輸視頻內容。

3 現代數字家庭網絡技術方案探討

在現代數字家庭網絡的建設和改造過程中，必須根據我國三網融合和廣大用戶的需求，考察、分析各地網絡狀況和技術特點，各類家庭的網絡布線與結構現狀，并考慮未來三網融合的發展，同時仔細考慮預算與可操作性等方面的要求，選擇與之相適合的建設和改造技術方案，搭建適合各類消費者家庭需要的局域網網絡環境，使其具備寬帶、雙向、多功能的承載能力，使家庭網絡涉及的計算機、通信、家電等不同領域走向融合，承載包括IPTV，VOD，VoIP，高速上網等寬帶業務應用。據此，下面探討和尋求家庭組網之最佳或次佳傳輸媒介與技術方案。

3.1 現代數字家庭組網的需求和現有技術方案分析

現在的家庭組網完全取決于應用需求，包括業務與通信覆蓋、速率、QoS等要求，同時考慮如成本、功耗、安全性、共存問題等各種因素。主要涉及采用何種連接技術和采用何種網絡結構等技術。為此，下面從應用需求開始，分析、比較上述各種技術的優劣，進而探討和研究家庭組網之最佳或次佳傳輸媒介與技術方案。

1）三網融合和用戶的應用需求

根據上述介紹的應用需求，同時也根據國家關于推進三網融合的總體要求，首先應依據各自的業務規劃，充分利用用戶已有的資源，采用適合信息傳輸與組網的互聯技術，使數字家庭網絡具備承載模擬和標準清晰度數字電視節目、高清晰度電視、廣播、視頻點播、寬帶數據接入、語音服務等多種業務的能力；同時能夠滿足數字家庭用戶當下最關注的功能/實用性（業務能力）指標，及實現這樣功能/實用性所要求的帶寬、覆蓋范圍、服務質量(QoS)、成本等4個方面的需求，并將之作為數字家庭網絡的統一標準。同時，從應用方式來看，要滿足固定的應用、移動的應用，要滿足于網間的遷移和三屏融合。

2）現有各種技術方案的分析、比較

根據上述衡量指標，可回頭分析、比較上述已應用和眾多廠家推出的在不斷改進的各種底層網絡技術，具體情況見表2。

3.2 方案考慮的思路

1）組網方案選擇的思路

從以上對各種組網傳輸技術方案的分析、比較，可以看到:當只選擇上述任何一種方案時，均無法滿足消費者的所有需求。例如選擇各式有線（電話線、同軸線或網線）方案，盡管這些有線技術在帶寬、速度、服務質量等方面具有優勢，但使家庭中所有移動或便攜設備連接受到限制；但若選擇無線，雖然網絡組建快捷簡便、移動靈活，不需布線，且以家庭多媒體信息、PC共享上網為主要應用模式的家庭網絡服務來說，WLAN是一種比較具有優勢的技術，但無線技術在家庭應用的實際環境中存在最難解決的問題——安全覆蓋。因為這些缺陷是有線/無線單一方面所固有的，難以克服，因此在這里考慮和選擇方案時，必須考慮這二者的結合（或融合）方案，即以有線為基礎，以無線來對家內實現覆蓋，二者互補來進行完善。這即前面2.3節介紹的有線+無線技術方案，是未來家庭網絡傳輸技術的發展方向和趨勢。

表2 家庭網絡主要傳輸技術方案的分析、比較

這樣組網思路類似現在的移動通信網的思路，由基站進行無線覆蓋，基站間有線互聯而形成覆蓋全區、全省和全國的移動通信網。

2）組網傳輸媒介與技術方案選擇的思路

其次，根據前述消費者需求，主要考慮家庭組網的具體傳輸媒介與技術選擇。根據上述組網思路，主要是選擇何種介質聯網和采用何種網絡拓撲結構等網絡技術，涉及選擇何種有線介質作為基礎設施的傳輸介質，和選擇何種無線技術來進行室內覆蓋。

一是有線選擇，有電話線、電力線和電視電纜3種家中已有線路之選，每種又有各種技術方案（標準）可選，均為充分利用家中已有布線來實現寬帶、雙向和多功能業務。很顯然，選擇家中電視電纜具有較明顯的優勢，因為它與上述擴展業務非常兼容，專一，授權使用，不干擾他人也不受他人干擾，具有比其他兩種線路更多的優勢。所以首先的選擇是有線同軸電纜，將之作為家庭網絡基礎設施，充分利用家中現有的有線電視網絡布線和音視頻業務的優勢。

另外，近年電力線通信技術的迅速發展并在技術上取得了突破，因此可選擇如HomePlug AV電力線作為家庭網絡基礎設施，充分利用家中已有的電力線布線資源，作為另一種不需布線的既方便并具有一定優勢的選擇。

二是用于室內覆蓋的無線媒介的技術方案選擇，如前述的WiFi，UWB和60 GHz等，但因基于UWB技術的工作頻率很高，頻帶很寬，不能使用電視電纜傳輸，尤其是無線USB和無線1394存在技術不成熟等問題。因此，由UWB發展的無線USB和無線1394以及60 GHz方案是正崛起的有前景的方案，有待進一步發展，目前可選的無線介質有兩類:一是WiFi，二是基于電視電纜傳輸的其他方案。

首先，無線媒介技術方案選擇最為成熟、最具技術優勢的應屬WiFi技術的方案，WiFi技術被認為最有可能成為最終獲勝者，是發展的方向。此方案是成熟技術，已在前面2.3節進行了闡述，有降頻和不降頻兩種方案。國外T1、國內武漢“牧馬人”等公司采用不降頻、直接用Cable承載2.4 GHz的WiFi信號的方案[9]，且“牧馬人”采用更換超G分支器/合路器解決不變頻的傳輸損耗大的問題，但帶來更換成本與施工的問題；采用降頻（900～1000 MHz）方案（主要支持廠家為Athe?ros）可利用原電視線路而損耗不大，但帶來非標問題。

其次，基于電視電纜傳輸的其他方案，包括MocA、HiNOC和HomePlug、Home PNA等，從原理上均可使用電纜傳輸到房間后接天線發射，采用無線方法來覆蓋房間。這方面的工作，國內外尚無人提及，更無人實現，下面將進一步進行探討與研究。

綜上所述，采用有線+無線的組合方案，以有線為基礎，配合無線來協助實現在整個家庭內的安全覆蓋、穩定可靠傳輸視頻內容，二者互補完善，在不同的場合既保持了無線連接的方便易用，具有移動性和可擴充性及升級能力，又可通過Cable在保持高速率的情況下增大覆蓋范圍。這樣由有線構建數字家庭網絡的基礎，將家中計算機、電視機和各類家電等固定設備與家庭網關（RG）直接相連；同時采用無線實現家內無縫覆蓋，將家庭如筆記本、抄表、安防監控等移動/便攜設備接入到RG，使PC、通信和消費電子三大領域進行融合，使家庭網絡無縫覆蓋所有設備并具有寬帶、雙向、多功能的承載能力。

以下先介紹對基于同軸電纜WiFi的有/無線混合傳輸方案的進一步擴充想法。

3.3 基于有線傳輸的無線覆蓋技術方案探討

前述基于有線（包括五類線、電力線和電視電纜）傳輸的所有方案，因采用有線連接入網設備，用直接適配的插座進行信號分路并轉換成以太網口（RJ-45）。因此，為了使移動/便攜設備能方便接入，需增加室內無線覆蓋。這有兩種方案實現室內無線覆蓋:一是轉換為WiFi技術，即上述方案均可考慮在網關處或信號傳輸到房間后的插座內的以太網口處插入連接WiFi的AP和天線進行發射，需入網的設備只需配置無線WiFi網卡，即可實現室內的無線覆蓋；二是上述有線傳輸饋入房間后，在其插座處直接分路、插入一個適配的無線輻射器(天線)，需接入的移動/便攜設備配置一個相對應的天線，則可接入家庭網絡。例如基于電力線（PLC）傳輸方案只要考慮在傳輸到房間后插入適配的電力線輻射/接收器對，則可將要入網的移動/便攜設備接入家庭網絡，實現無線覆蓋試驗，有利提高產品競爭能力。這里的關鍵和主要問題是:前者需增加WiFi的AP設備，但為標準的成熟產品；后者的工作頻帶正處于2～30 MHz的短波頻段，該短波頻段太過擁擠，既可能干擾家庭如短波收音機的工作，也易受大功率短波干擾，需認真考慮頻段的選用問題。

對于采用電視電纜傳輸的組網方案，包括基于高頻段傳輸的MoCA、HiNOC（安排在865 MHz以上頻段）和基于低頻段傳輸的HomePlug、Home PNA（安排在5～65 MHz頻段傳輸）等方案，具有獨特的優勢。均可采用下述同軸WiFi方案一樣的方案，實現無線覆蓋。此時，其技術方案均基于原同軸線傳輸技術方案，完全不用改變，只傳輸到房間并將CATV分路后，原采用有線電纜接頭連接到入網設備，現將其分路并插入天線輻射/接收器即無線連接即可。因此，上述所設想技術方案，整個系統設備基本不變，唯一的變化是需設計相應頻段的寬帶、高效天線并盡量小型化，并需要重新估算傳輸路徑損耗進行電平設計。下面以基于同軸電纜WiFi（WiFi over Coax）的技術方案為例來具體說明。

3.4 基于同軸電纜WiFi（WiFiover Coax）的技術方案

基于同軸電纜WiFi（WiFi over Coax）的技術方案是技術很成熟且富于競爭力的有前景的方案，但現在均是針對802.11b/g的24 GHz方案。從為百姓設計一個將來能中長期應用的網絡的想法出發，對之進行一些改進:一是頻段擴充，針對802.11a和802.11n除2.4 GHz外還增加了5 GHz及MIMO功能，此時仍能利用電視電纜傳輸的技術方案考慮；二是功能擴充，擴充了能兼容傳統ZigBee功能的傳感器網絡功能，即實現數字家庭的另一個屬于控制域的傳感器網絡范疇任務，涉及安全監控、自動抄表、遠程控制和維修以及各種電子電氣設備的控制等功能，這樣擴展了系統的功能與能力，提高了性能，有質的飛躍。

圖3 基于同軸電纜WiFi（WiFi over Coax）的家庭網絡構成與組網示意圖

1）方案要點和設備組成框圖

從以上對各種傳輸技術方案的分析、比較來看，在數字家庭網絡的建設和改造以及IPTV部署過程中，為避免布線的麻煩，同時提升網絡部署靈活性與便捷性，采用無線（WiFi）傳輸的方式是最優的選擇。WLAN技術自802.11b頒布以來，在過去的幾年中，逐漸以其高傳輸速率、日益改善的安全性能以及極具誘惑力的產品價格吸引了ISP和消費者的注意。它的全標準應用，設備成熟，價格低廉，尤其新的IEEE802.11n初步標準已經通過，確保108 Mbit/s的吞吐量，最高可到300 Mbit/s。但WiFi的無線傳輸方式，無論是802.11g，還是802.11n，其無線信號的衰落特性在單元式住房結構中都面臨兩個最難解決的問題:其一是建筑物內的有效覆蓋，其二是加大功率時產生的綜合EMI問題——安全覆蓋。所以根據上述思路，采用有線/無線相結合的應用方案，即將WiFi信號通過現有CATV同軸電纜傳送到各房間（如客廳、臥室、書房）內，然后分別在各房間多點發射，分別覆蓋其單房間區，進而實現室內環境下無線信號的有效與安全（EMI）覆蓋。這樣，以CATV電纜作饋線，饋入各房間的多個天線分片覆蓋（波分多址），從而克服了室內隔墻、天花板和家具等傳輸障礙對信號的衰減，同時也由室內隔墻、天花板和家具等傳輸障礙隔離了向房外的輻射，一舉兩得，解決了上述兩個難題。

其技術核心是基于同軸電纜的WiFi技術（WLAN over Coax），將DC電源、10Base-T、WiFi信號與CATV匯集于同軸電纜網絡進行傳輸，實現在不破壞家庭裝修的前提下，利用普遍存在的有線電視電纜構建家庭網絡平臺，支持多終端、多業務運營服務。同時，以合理的成本解決室內環境下有線、無線（包括3G）信號覆蓋等現實的技術難題。

整個系統的設備組成與組網示意圖如圖3所示。

2）方案特點

充分利用家中現有電視網的同軸電纜布線，結合WiFi信號可實現有線、無線對家庭的聯合覆蓋，構建數字家庭的網絡基礎設施，不需改線/鋪線，無入戶施工。

網絡質量高，無信號干擾，可擴展性好，實現了室內環境下無線信號的有效與安全（EMI）覆蓋，解決了WiFi在數字家庭領域應用覆蓋和安全兩大難題。

不占用有線電視系統有效頻率資源，使有線電視基礎網絡具有寬帶、雙向、多功能的承載能力。

可實現基于網絡的媒體共享、室內安防、視頻監控和電器控制等應用，支持多模（智能）PDA通信、遠程醫療、應急呼救等服務。數字家庭的另一大任務屬于控制域的傳感器網絡范疇，涉及安全監控、自動抄表、遠程控制和維修以及各種電子電氣設備的控制等，這類任務傳輸速率要求不高，需要24 h監控，其可靠性和網絡體系更為重要。這些特性傳統地決定了ZigBee成為其最為理想的選擇，但本方案可采用微耗WiFi的設備兼容實現，降低了系統復雜性和成本。

速率高。802.11g/802.11/a可提供54 Mbit／s的物理層傳輸速率，而802.11n可確保108 Mbit／s，目前最高可達300 Mbit／s。雖然物理層開銷需要占用大量帶寬，但仍可為家庭內部提供數十兆至上百兆的帶寬。

技術成熟。WiFi技術已被廣泛使用，全標準應用，即使是尚未完全標準化的802.11n，也已經有大量芯片廠商提供相關產品。

WiFi產業鏈已經成熟，產品設備層出不窮，其設備成熟、價格低廉，運行穩定，安全可靠，經濟實用，系統主要組成部分生命周期長等。

3）方案實施關鍵技術及技術可行性分析

（1）網關/標準選用

同有線電視一樣，帶寬、速度、功率成為基于同軸電纜的WLAN接入的關鍵，但這些均由ADSL/以太網至WLAN的網關決定，關鍵在于市場上選購的網關產品。目前可選用技術成熟并廣泛應用的802.11g產品進行數據和視頻分發，可提供54 Mbit／s的物理層傳輸速率；802.11n已成為家庭高清影音傳輸的首選技術，其最高傳輸速率在單頻帶（Single Band）為150 Mbit/s，雙頻帶信號流（Signal Stream）的情況下，則達300 Mbit/s，能夠承載多個高清晰視頻、音頻和其他大數據量數據串流。因此足以勝任現代數字家庭的應用及其未來的發展。

（2）頻帶安排，擴展雙頻段WiFi

方案實施的關鍵為如何充分利用同軸電纜的頻帶資源同時支持CATV，10Base-T，WiFi和ZigBee等信號的網絡傳輸，構建穩定可靠的室內信息網絡平臺，解決室內信息設備通信方式多樣性、無線信號覆蓋的有效性和安全性等問題。避免室內網絡的重復建設和無效建設，能便捷地實現基于網絡的媒體共享、室內安防、視頻監控和電器控制等應用，支持多模（智能）PDA通信、遠程醫療、應急呼救等服務，為基于三網融合的室內信息化提供現實可行的發展模式。

這里的關鍵是在原來只適用5～1000 MHz的電視電纜內安排10Base-T和WiFi傳輸的頻帶位置與寬度，包括2.4 GHz/5 GHz雙頻帶信號傳輸在內。因大多數CATV系統工作于87～860 MHz，0～65 MHz頻帶和860 MHz以上頻帶資源尚未利用，因此采用頻帶復用方法，以不影響CATV系統工作為原則將WiFi信號（包括2.4 GHz/5 GHz）分別安排在860 MHz以上不同頻帶傳輸。頻帶可將整個WiFi頻帶降頻下搬，將2.4 GHz/5 GHz安排到不同位置；也可只將工作頻道（約20 MHz）降頻下搬。前者可采用固定頻率頻綜，后者對降/升頻變頻器提出了可變本振頻綜和對WiFi頻帶掃描的嚴格要求。

（3）降/升頻變頻器

這是該方案的核心和關鍵，其關鍵是保障降/升頻變頻器與WiFi基站完全同步工作（＜3～5 ns），涉及收發開關和加電控等技術難題。建議采用成對工作，在家庭網關處采用降頻，變成1 GHz以下傳輸信號，實現低損耗通過電視電纜和分支器傳輸，到房間后再升頻，回到原2.4 GHz/5 GHz頻段，從而避開所謂“非標”問題。

（4）無線傳感器網（WSN）功能實現

此時傳感器嵌入式集成微耗WiFi收發信機，實現與WiFi兼容。這些傳感器平時只留探測器“值守”，其余休眠，事件觸發，啟動采集數據，分析判斷并決策(控制、報警等)，實現傳統ZigBee的傳感器網絡功能，完成數字家庭的另一大任務——屬于控制域的傳感器網絡范疇任務，涉及安全監控、自動抄表、遠程控制和維修以及各種電子電氣設備的控制等，這類任務要求傳輸速率不高，但可靠性和網絡體系更為重要。這樣采用微耗WiFi的設備兼容實現，降低了系統復雜性和成本。

4 小結

以上概括了現今各類數字家庭網絡技術的研究、發展與應用情況及其之間的比較分析，在此基礎上探討了最優的數字家庭網絡技術與方案，對如何把握三網融合對家庭網絡發展的推進，如何實現惠及百姓的家庭網絡有一定參考價值與意義。

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