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家庭网络技术与发展

http://www.secu.com.cn 中国安防产品网时间：2005-03-08 14:05

    摘　要：家庭网络是代表家庭信息化的一种新概念，对智能家庭网络的研究已经成为智能建筑的研究热点。本文介绍了智能家庭网络的功能和基本结构，分析了系统中的关键技术，包括接入介质和通信协议等，并且对无线家庭网络的进行了探讨。

    关键词：家庭网络接入技术 CEBus HomeRF 蓝牙

    1 前言

    家庭网络是代表家庭信息化的一种新概念，它是全方位提供智能化服务的网络系统。它是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来，对内实现资源共享，对外能通过网关与外部网互连进行信息交换。家庭网络的主要功能有安全服务、通信服务、能源管理、自动控制等。

    上世纪九十年代中期以来，家庭网络技术开始起步。在国际上比较有影响的系统有：美国的X-10,CEBus（Consume Electronic bus）和Lonwork；日本的HBS(Home Bus System)；欧洲的EIB(European Installation Bus)和EHS(European Home System)。我国对家庭网络的研究目前成熟的，主要集中在一些分散的智能家庭控制子系统的研究上，如三表抄送子系统、门禁子系统、可视对讲子系统等。这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用很不方便。因此只有智能家庭网络才能将这些电气子系统以及电气设备连接起来。随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的发展而不断改进，实现它们之间信息共享，使得系统安装方便、使用灵活。

    2 家庭网络设备

    家庭计算机接口类设备：包括家用计算机、打印机、扫描仪和数码设备等，以上所有的设备都必须通过计算机的端口连在一起。家庭计算机网络允许多台计算机和其他的设备通过共同的网络协议进行互联。

    电话设备：包括有线电话、手机和对讲机等。所有这些电话设备都须有一个接口同PSTN进行通信，目前他们主要是通过家庭电话线同PSTN连接的。若利用家庭网络，这些设备就能共享家庭接入介质，如同轴电缆或双绞线等，而且允许提供数据和语音的传输服务。

    多媒体设备：包括电视机、音响、DVD、摄像机等。实现电视机与数码相机、摄像机和DVD等设备之间的视频音频信号传输。对外实现可视电话、视频会议和视频点播等视频音频信息交流，这体现了家用电器数字化和智能化的方向。

    安全系统：包括运动检测仪、门禁设备和报警设备等。目前这些设备形成自己独立的网络，系统多是通过电话线路连接到报警中心的。

    抄表系统：水、电、气等公用事业公司推广的远程抄表，通过录装在用户家中的计费仪表来进行账目结算和其他的一些应用。

    3 网络结构与接入技术

    家庭网络化过程中，消费者通常不会花费很多的资金来投入，因此今后家庭网络的发展趋势就是使用已有的线路或者采用无线网络的解决方案。今天的家庭中现有的线路包括电话线、动力照明线和有线电视的同轴电缆等。大部分家庭中电话线分布相对较好。电源线虽分布更广泛但质量较差，且噪声等级远远大于电话线。现有的有线电视的分布有限，且这种传输多通道电视信号的线路会和基带数据信号相互干扰。宽带电视调制器虽可以解决这个问题，但其分布范围小且价格昂贵，故有线电视线路作为家庭网络的布线并没有受到重视。因此无线解决方案显得较为理想，其安装和重新布置非常容易，因而可以提供一个出色的解决方案。无线方案面临的挑战主要是可靠性、带宽、覆盖面积、安全以及干扰等。

    3.1 家庭电话网络

    家庭电话网络是一种利用随机分布的电话线路与以太网兼容的局域网。它采用独立的适配器可以与任何带有10Base-T以太网接口卡的设备相连，家庭中的计算机通过以太网卡，经家庭网关被Internet访问。

    3.2 电力线路

    电力线在家庭中有着最为广泛的分布，它几乎能到达建筑物的每一个角落。传统的访问线路采用大约4kHz的宽带传输模拟信号，其余的带宽都没有利用。最近人们正在考虑利用电力线路做高速的数据传输，期望传输的频率可以超过1MHz。

    3.3 CEBus技术

    美国电子工业协会(EIA)于1992年正式推出了CEBus。CEBus是一个比较完整的开放体系，定义了几乎所有传输介质中信号的传输标准，并要求所有传输介质中信号传输的速率均为10Kbps，任何符合CEBus标准的电气产品均可以直接互连和通信。CEBus的传输介质包括电力线、双绞线、同轴电缆、无线、红外线及光纤等。电力线上信号调制方式采用幅移键控法(ASK)，主要用于连接需要市电供电的设备。双绞线主要用来连接需要低直流电压供电的设备(如传感器等)。红外线主要用于无线控制，如遥控器等。同轴电缆、无线用得比较少。光纤使用较多，主要是因为其宽带、抗电磁干扰、安全和易安装等优点。

    3.4 接入技术

    目前宽带家庭网络接入由电缆调制解调器和电话线路上的DSL服务提供。电缆调制解调器是针对有线电视的线路的，使用电视信号分配的带通通道，采用QAM技术实现高速的数据传输。住宅小区的电缆的分布一般是采用总线的拓扑结构，这种单向的设计对电视信号的传输是最理想的。宽带有线服务利用一个视频通道和反向通道来建立双向的通信进而访问Internet。

    如果家庭需要更高的无线访问速度则可以利用LMDS（local multipoint distribution service,本地多点分布式业务）技术和现有的无线局域网互联的网桥提供服务。美国的IEEE802.16和欧盟的HIPER-ACCES正在研究这个领域中的网络，其选择的无线解决方案包括直接的电视卫星广播和3G无线网络等。

    4 无线解决方案

    有线网络基础上的无线解决方案的一个最根本的优点在于无线解决方案可以提供移动性，它能使网络同时覆盖家庭中每一块地方。

    4．1 HomeRF技术

    HomeRF是在家庭范围内的无线数字通信开放工业标准。HomeRF借用了802.11中支持TCP/IP传输的协议，它定义的工作频段为2.4GHz，是不需许可证的公用无线频段。HomeRF使用了跳频空中接口，每秒跳频50次，即每秒钟信道改换50次。收发信机最大功率为100mW，有效范围50米。为了支持1Mbit/s或2Mbit/s的数据速率，HomeRF无线发射设备采用2FSK来进行调制。HomeRF无线家庭网络的数据安全性由Blowfish加密算法来保证，其ID密码为48bit。

    HomeRF支持同步网和异步网，在同步网内部可支持六部无绳电话互连，在异步网内部可支持更多的数据设备互连。为了支持两种数据类型的传输，SWAP协议在HomeRF帧中定义了不同的期间，当一个网络成员稳定在一个特殊的频率上后，它便开始侦听从控制节点发出的信令信号。同步之后，无线接收设备则将话音传输和数据传输在时间上分开。在帧的中间期间，数据的发送和接收采用CSMA/CA协议，这类似于802.11的MAC层。CSMA/CA窗口一般应用在不确定数据流中。在帧尾，它利用TDMA协议来处理语音传输，为了实现TDMA数据的优先重传，以前保存的帧头部分就有可能被丢掉或被扰乱。

    HomeRF支持高质量的语音与数据传输，但它的带宽相对较窄。虽然HomeRF的数据速率比蓝牙高，但蓝牙提供更便宜的芯片，从而吸引更大的市场。

    4.2 HIPERLAN-2技术

    HIPERLAN是作为一个欧洲标准提出来的。

    HIPERLAN-2是在 HIPERLAN-1中的ad hoc体系结构上的进一步的扩展，它能通过AP采用与IEEE802.11相类似的方式支持集中式接入。HIPERLAN-2允许在同一个子网中的越区切换又允许在一个异构网络中基于IP的越区切换，可以实现与以太网等相互进行无缝操作。

    HIPERLAN-2使用一种新的类似于面向语音的蜂窝网络的协议体系结构，它有三个最基本的层：物理层、DLC层和会聚层。它使用了复杂的安全机制，同时支持DES和3DES算法，从而具有更强的加密能力。HIPERLAN-2目标是以很高的数据速率为室内和可能的室外应用提供IP和ATM类型服务，它期望能支持面向连接和无连接的两种服务。目前HIPERLAN-2依旧在发展之中。

    4．3 蓝牙技术

    蓝牙为短距离无线语音和数据通信的开放标准，最初的发展是为了替换在全球运行的个人区域互连网络中的电缆。1998年，Ericsson, Nokia, IBM和Intel成立特殊兴趣组（SIG）来进一步扩展此思想，在IEEE802.15WPAN的基础上制定标准。在1999年发布了最初的标准并将其作为网络速率为1Mbps的IEEE802.15WPAN标准。

    蓝牙主要应用在综合语音和数据业务上，其中使用了嵌入机制来支持语音通信。与3G蜂窝系统不同的是：蓝牙是价值便宜的个人区域ad hoc网络，工作在免许可证频段并且归用户所有。蓝牙的拓扑结构为分散的ad hoc拓扑，在分散的ad hoc环境下，大量小规模的网络可支持一些终端的共存性或互操作性。在同一时间内，终端可选择与多个网络相关联，接入方法即可用于小型独立的ad hoc小区，也可借助蓝牙技术与大型的语音和数据网络完成信息的交互。蓝牙标准的显著特征为其有一个完整的协议栈，从而允许不同的应用在不同的设备间通信。链路管理协议（LMP）的功能利用身份验证、加密、功率模式、流量分配、分组的格式来配置与其他设备的连接。逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）向高层协议提供无连接数据服务。

    蓝牙的物理层嵌入在蓝牙协议栈的RF和基带层之中。物理连接采用FHSS（Frequency hopping spread spectrum,跳频扩频）调制解调器。蓝牙的基带控制器采用两种纠错方案，信头采用FEC编码，如有必要，语音同步分组中的有效载荷段也将采用FEC编码，因此可避免因吞吐量的增加而导致信头过载。蓝牙接入机制为面向语音的全新系统，采用的某些技术与CSMA/CA，CDMA或TDMA有关，它的介质接入的机制为快速FH-CDMA/TDD系统，并可通过轮询来建立链路。

    4.4 前景展望

    无线家庭网络除了具有家庭网络所应有的信息和资源共享的优越性外，还支持高质量的语音和数据传输。这为无线家庭网络的应用开辟了新市场。近期无线网络将支持家庭娱乐、信息家电、远程医疗等功能。随着无线网络技术的日益成熟，更多的网络环境将能够协同工作，无线家庭网络可与PSTN和以太网进行无缝通信，这将使无线家庭网络成为家庭的骨干网。

来源：建筑电气商务网编缉：baoxiuli

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