家庭网络体系结构及其技术分析

2003年9月天　津　大　学　学　报JournalofTianjinUniversityVol.36　No.5

Sep.2003

家庭网络体系结构及其技术分析Ξ

杨宏宇1,2,孙济洲1,谢丽霞2(1.天津大学电子信息工程学院,天津300072;2.中国民航学院计算机科学与技术学院,天津300300)

摘　要:家庭网络已逐步进入现代家庭,成为计算机网络和家电领域的一个新事物.该文描述了家庭网络系统体系结构和家庭网络规范,对目前最先进的几种典型家庭网络规范进行了详细的分析和对比.无线组网技术是家庭网络的发展趋势,该文对IEEE802.11(无线局域网)、HomeRF和Bluetooth技术进行了分析和比较.关键词:家庭网络;HPnP;HomeAPI;HomeRF;蓝牙

中图分类号:TP393.03　　　文献标识码:A　　　文章编号:049322137(2003)0520648206

HomeNetworkArchitectureandItsTechniqueAnalysis

YANGHong2yu1,2,SUNJi2zhou1,XIELi2xia2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;

2.SchoolofComputerScienceandTechnology,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

Abstract:Homenetworkhasalreadyenteredhomeandbecomesanewbusinessinthefieldofcomputernetworkandhomeelectricalappliance.Thispaperdescribesahomenetworkarchitectureandanalyzesseveraladvancedhomenet2workcriterions,suchasHomePNA,X210protocol,HPnP(HomePlugandPlay)andHomeAPI,andcomparesthemindetail.Wirelessnetworkingisanewdirectionforhomenetworkingdevelopment,threenoveltypesofwirelessnet2workingtechnologiesareintroduced:IEEE802.11(WirelessLAN),HomeRFandBluetooth,andthesetechnologiesareanalyzedandcomparedaswell.

Keywords:homenetwork;HPnP;HomeAPI;HomeRF;Bluetooth

　　家庭网络(homenetwork)是指将个人电脑、家用电器、三表(水表、电度表、煤气表)、照明和安全报警系统与广域网相连接的一种崭新技术.家庭网络技术是处理、管理、传输以及存储信息实现家庭中多部计算、控制、监控和通信设备连接与集成的要素集合[1].家庭网络可以提供以下几方面的功能:　　1)多用户访问互联网,有线网络和ADSL等技术可以提供快速网络连接,同时允许用户在访问互联网的同时进行例如可视电话和普通电话交谈;　　2)家庭网络能够连接和共享打印机、modem或其它任何计算机外围设备,充分利用有限的计算资源;　　3)用户可以通过家庭网络共享信息,或者对重要数据进行网络备份;　　4)可以提供各种娱乐服务.

　　目前,可供选择的家庭网络技术种类繁多,速度、成本以及解决方案等各有不同.按照不同的网络介质

类型,可以把家庭网络划分为有线网络和无线网络两种.有线网络主要是利用家中的电话线或电力线进行组网;无线网络则主要是利用2.4GHz频段的无线资源组网.

1　家庭网络系统体系结构

　　当前的家庭网络概念已不再仅仅局限于简单的控制部分,而是覆盖家庭全方位的提供各种智能服务的网络系统,主要由数据通讯、家庭娱乐和家庭电器控制三大部分构成.

Ξ　　　收稿日期:2002209218;修回日期:2003205212.

),男,博士研究生,副教授.　　　作者简介:杨宏宇(1969—　　

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图1　家庭网络体系结构

Fig.1　Homenetworkarchitecture

　　家庭网络的前端是连接Internet的网关,家庭网络通过网关互连,该网关同时也是整个网络的控制配置主节点,每一子网可以使用不同的物理媒体和通信协议,网关节点兼容所有的通信协议,不同子网的设备可以和其他子网的设备交互通信,从而实现家庭的网络化智能控制.其组成要素可以包括电缆调制解调器、非对称数字用户线调制解调器、卫星接收机或无线收发信机,或这些装置的功能组合.通过网关,对家庭传送电话、电视、CD、DVD和MP3音乐节目,并传送来自监视摄像机的信号,控制家用电器的指令,以及来自In2ternet的多媒体信息流.电力部门可以通过家庭网络远程控制进入用户家庭的电流,自动抄表.

　　图2为家庭网络的分层结构图.整个系统共分为5层[2]:物理媒体层(Media)、底层协议层(Protocol)、应用程序接口层(APl)、应用程序层(APP)和最终用户接口层(UI).其中第1、2两层的标准已经颁布,并已在实际应用之中;第3层(API)是家庭网络技术发展的关键,是当前业界研究的热点;第4层是应用程序层,它是在第3层的基础上由技术人员开发的各种应用程序;第5层是各种用户接口工具,它不只局限于PC接口,同时也包括各种应急按钮、求助开关、遥控装置和其它可视接口设备.UI的简单性、易用性和灵活性关系到整个系统性能的发挥和使用,对用户的接受程度有很大的影响,因此系统的UI规划在家庭网络的设计中占有很重要的地位.按照家庭网络的分层结构,家庭网络的协议标准可以分为3种:底层协议规范(1、2层)、API层(3层)协议规范和UI层(5层)规范.

2　家庭网络规范

　　表1给出了几种家庭网络规范的比较.2.1　HomePNA

　　组建家庭网络可以利用现有的电话线.HPNA组织(homephonelinenetworkingalliance)制定了1.0和2.0两个标准.HomePNA规范1.0于1998年第3季度完成.该规范使用的是TutSystems公司的技术,在通用电

图2　家庭网络的分层结构

Fig.2　Layeredstructureofhomenetwork

话线上传输速率为1Mbps.HomePNA规范2.0于1999年下半年发布,其速率为10Mbps,实际速率可以达到

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2Mbps.HomePNA允许25台PC、外设和其他网络设备

有线连接的芯片,基于PC的韧件和软件产品.X210协议已经广泛应用于家庭安全监控、家用电器监控和仪

表数字读取等方面[8].

联网,设备之间的最大距离为152.4m[4].

　　HomePNA利用频分复用技术实现了在电话线上承载多业务而不相互干扰,不同的业务被分配到了不同的频段.HomePNA使用简单、维护方便,有较合适的性价比,支持Internet访问,支持接口协议V.90、ADSL和CableModem,家庭信息设备通过网络可共享数据和服务,而且可与以太网或HomeRF共同使用.　　使用符合HomePNA规范的产品,用户可以利用现存的电话线连接计算机和其他家用设备,与此同时还可进行正常电话通话.HomePNA规范与现存Intemet访问技术兼容.其主要应用是共享Intemet访问、共享数据和应用程序以及共享外设(如打印机、扫描仪、调制解调器、数字照相机和存储设备等),还可以玩多人游戏.

2.2　X210协议　　电源线载波系统(powerlinecarriersystem)是在家庭或设备内通过120V、60Hz电功率分配系统传送信息的一种方式,采用协议为X210.X210技术是在1976—1978年开发出来的,于1978年生产出第一个商用控制组件,X210协议是对电子设备进行远程控制的通信协议,适用于X210发送器和接受器之间,以家庭内普遍存在的电力线系统为通信媒体,系统铺设简单且不用重新布线,降低了初始投入成本,因此在家庭自动化,如安全监控和电器控制等方面得到广泛应用.　　X210系统主要由控制盒(发送器)和接收器来实现电气设备的自动控制[2].控制盒和接收器都能直接插到市电电源插座上或替代电源插座直接接到电力线上.系统的最大寻址能力为256个,通过控制盒和接收器上的拨盘来设定房间号(16个:A～P)和设备号(16个:A～P).设备的控制是通过控制盒上的按钮来完成的,一个控制盒可以控制地址与它相同的所有接收器上连接的设备.控制盒有多种类型,有的实现灯光亮度调节,有的可实现定时控制等.　　X210电力线上的AC频率是60Hz,线电压为120V.X210组件命令以120Hz和5V的脉冲形式进行传输,信号1以1ms的脉冲信号表示,信号0没有相应的脉冲信号.X210的信包头标识符为1110,该标识符仅以真值形式传送,其余每个信号分别以真值和补码两种形式在AC的零相位开始传送,且连续传送3次,每个X210的信包包含22位要传送的二进制信号,其命令格式如图3所示.　　每个X210数据包包括标识符(报头)、房间编码、单元/功能编码,共22位.现在市场上已经出现了基于

图3　X210的命令格式Fig.3　FormatofX210command2.3　HPnP　　HPnP(HomePlugandPlay)规范是由CIC的互操作技术委员会(InteroperabilityTechnicalCommittee)完成

的.规范的1.0版本是于1997年8月份发布的,相关的产品正在由CIC成员进行研制.该规范还不是一个正规标准,而是一个企业联合规范,致力于扩大家庭智能网络产品市场.　　HPnP是一种互操作规范,它不是一种语言,而是CAL(EIA2721)语言的实现规范,该规范与以上介绍的几个底层控制网络标准和规范不同,它独立于网络的下层技术和协议,运行于多种网络协议之上.规范使用了EIA2600CEBus标准的面向对象的通用应用语言(CAI)和对象相关模型.只要在产品中嵌入了HPnP技术,来自不同厂家的产品可以在同一网络上相互通信,实现即插即用功能.　　HPnP规定了详细的家庭网络系统及相关产品的行为特征集合,它使得系统根据家庭里的实际状态而执行相应的预定方案.比如在家庭无人和家人睡眠时,系统将启动安全装置、关闭内灯、设置室内环境温度等.规范还规定了基于WINDOWS操作系统的家庭网络的控制应用.定义了音频/视频、计算机、能源管理、照明控制、安全控制、远程通信和用户接口相关文档,并随着新产品的增加而增加.HPnP规范可实现与IP网络的连接,也可运行于IEEEl394网络之上[10].这意味着该规范及其相关协议适用于家庭网络的所有解决方案,可以实现家庭器具的远程控制和配置,对于组建完整的家庭网络具有重要意义.2.4　HomeAPl

　　HomeAPI[1]工作组成立於1998年,其主要目标是建立一种开放性工业标准以加速家庭智能化信息电器的应用,该工作组在CONNECTIONS’99上发布了HomeAPI规范,演示了规范的概念性应用,该规范的最终标准及开发工具(SDK)已经在1999年的下半年发布.该SOK基于Windows操作系统,可以使用C++,Java,Vi2sualBasic,VBScriptandJavaScript语言开发应用程序.

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　　HomeAPI是由API工作组开发的一种应用程序开发接口规范,是一个提供软件服务和编程接口的集合,它使得其上的应用程序能够发现和控制家用电子设备,如:电视机、录像机、电缆盒、安全系统、灯控和环境控制系统等.规范的主要目标就是降低软件应用开发的资金成本和复杂度,通过智能家电的使用来提高用户的娱乐、安全、舒适和方便程度,而相应的软件应用通过使用HomeAPI规范独立于网络下层的技术和协议,向下实现多种协议的兼用,向上为用户提供一致的、易用的、智能化的、友好的用户接口,以便在家庭内部的任何可视设备上或通过外部互连网络对家庭网络系统进行访问、控制和配置.　　HomeAPI所定义的不是一个协议,而是一个无固定协议的API和一个通用编程模型,它并不解决家庭设备的对等操作问题,它仅是将相应的设备功能提供给客户应用程序而不管下层协议是否兼容.HomeAPI是一种集中控制模型,从体系结构上来看,它位于以上各种协议的上层.

表1　几种家庭网络规范的比较

Tab.1　Comparisonofseveralhomenetworkcriteria规范

X210HomePNAEthernet

XML,HTTP,SSDP,LDAP

　　这些无线技术都利用工科医(ISM)频段,这个频段在2.4GHz左右,使用这个频段无需申请,目前这个频

段主要用于微波炉和无绳电话.使用无线组网技术可以方便地接入网络,不用布线也不用找电话插口.设备之间有障碍物也无所谓,而且通过加密技术可以增加安全性[7].3.1　IEEE802.11

　　802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准,主要用于解决办公室局域网和校园网中,用户与用户终端的无线接入,业务主要限于数据存取,速率最高只能达到2Mb/s.802.11规定了OSI的物理层和MAC层,其MAC层利用载波监听多重访问/冲突避免(CS2MA/CA:carriersensemultipleaccesswithcollisionavoid2ance)协议,而在物理层,802.11定义了三种不同的物

理介质:红外线、跳频扩谱方式(FHSS:frequencyhoppingspreadspectrum)以及直扩方式(DSSS:directspectrumspreadspectrum).802.11支持1～11Mb/s较高的数据速率,但是它只支持数据通信,为了进行无线数据通信,数据设备先要安装有无线网卡[5].由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要,因此,IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准.三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层.　　802.11a工作在5GHzU2NII频带,物理层速率可达54Mb/s,传输层可达25Mbps.采用正交频分复用(OFDM)的独特扩频技术,可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口,以及TDD/TDMA的空中接口;支持语音、数据、图像业务.一个扇

应用层传输层网络层

数据链路层

X210802.3

物理层传输介质

X210Tut

PLUTPUTPS,Coax,

FiberFiber

802.2/3802.3

HPnPTCP,UDPIP

区可接入多个用户,每个用户可带多个用户终端.但是,芯片没有进入市场、设备昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济、不适合小型设备.值得庆幸的是,Ra2diata的低成本COMS无线引擎芯片装置可支持802.11a.

3　家庭网络无线组网技术

　　连接家庭网络最理想的技术就是无线通信技术.目前主要关注无线网络技术(无线电频率(RF))的标准工作组包括IEEE802.11(无线局域网)、HomeRF、蓝牙和标准无线访问协议(SWAP).基于无线的传输设备可以用于在家庭内传送多种信息,其中一些使用分立的控制器设备,一些使用PC作为控制器设备,另一些则完全不使用控制器设备(如对等设备).无线RF传输由于其灵活性、可移动性以及无需有线连接即可组成网络的功能,成为新兴的以网络为中心的家庭公认的首选家庭网络拓扑结构.表2给出了三种无线组网技术的比较.

　　802.11b物理层支持5.5Mb/s和11Mb/s两个新

的速率.802.11标准在扩频时是一个11位调制芯片,而802.11b标准采用一种新的调制技术CCK完成.802.1b使用动态速率漂移,可因环境变化,在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之间切换,且在2Mb/s、1Mb/s速率时与802.11兼容.

　　IEEE802.11b使用直接序列展频技术(directse2quencespreadspectrum,DSSS),将传输串分成8bit的单元,2bit信息经过主要调变(QPSK),6bit信息选择64(2的6次方)个单元的其中一种,由扩散频谱编码产

生宽频讯号,以11Mb/s传递,当传输路径不良或噪声过多时,藉由将速率降至5.5Mb/s或更低来确保传输

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可靠度.在5.5Mb/s的速率下,数据串分成4bit区段,2bit经QPSK调变,其余2bit选择任何4类的扩散频

谱代码.

　　目前大多数的厂商,都看好以IEEE802.11b建构家庭或企业网络的发展.因为它对钢筋水泥的穿透性强,距离大多可以达到100m以上,在办公室应用具有相应的优点.而对于家庭网络市场,随着CableModem、ADSLModem等宽频需求上升,家庭中的计算机要以无线方式直接连结网络资源,它将是便捷的解决方案.3.2　HomeRF技术

　　HomeRF[4]工作组成立于1997年,是由美国家用射频委员会领导的.它是IEEE802.11与DECT的结合,旨在降低语音数据成本.其宗旨是在消费者能够承受的前提下,建设家庭语音、数据内联网.　　HomeRF的规范称为共享无线连接协议(SWAP),按照该规范,用户可以建立无线家庭网络,用户可在PC、PC增强(PCenhanced)无绳电话、手持式远程显示器等设备之间共享话音、数据和Internet连接;用手持显示装置可在房间内和房间周围的任何地方访问In2ternet;可在多台PC间共享文件、调制解调器、打印机等;可向多个无绳手机、传真机和话音邮箱转发电话;可使用小型PC增强无绳电话手机重复收听话音、传真和电子邮件;可简单地使用PC增强无绳电话手机发出话音命令,来激活其他家用电子系统;可以玩PC或Internet上的多人游戏.　　HomeRF把共享无线连接协议(SWAP)作为未来家庭内联网的几项技术指标,使用IEEE802.11无线以太网作为数据传输标准,通信频段也是2.4GHz.2000年8月31日美国联邦通信委员会批准了Intel、Microsoft、Motorola和Proxim等HomeRF组织成员的要求,允许HomeRF的传输速率在原来的2Mb/s的基础上提高至4倍,达到8～11(Mb/s)传送速率;而且和Bluetooth一样,HomeRF可以实现多个(最多5个)设备之间的互联.HomeRF的SWAP协议模型如图4所示,其协议层次与OSI网络模型有一定的映射关系,但不是完全一一对应.在SWAP中,MAC(介质访问层)对应于数据链路层,在其上的协议层则根据开展的业务不同而有所差异,它用TCP/IP承载数据业务、UDP/IP承载流业务(诸如视频数据流等),同时为了提供高质量的语音业务,还集成了DECT协议.

图4　HomeRF的SWAP协议模型

Fig.4　SWAPprotocolmodelofHomeRF

　　HomeRF采用数字跳频扩频技术,速率为50跳/s,

共有75个带宽为1MHz的跳频信道.调制方式为恒定包络的FSK调制,分为2FSK与4FSK两种.采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落.　　在2FSK方式下,最大数据的传输速率为1Mb/s,4FSK方式下,速率可达2Mb/s.最新版HomeRF2.x中,采用了WBFH(widebandfrequencyhopping)技术来增加

跳频带宽,从原来的1MHz增加到3MHz、5MHz,跳频的速率也增加到75跳/s,当然其数据峰值也高达10Mb/s,接近IEEE802.11b标准的11Mb/s,能满足未来的家庭宽带通信.它能根据数据传输速率动态调整跳频带宽,当传输速率较低(小于2Mb/s)时,采用1MHz的带宽,速率为10Mb/s时,则用5MHz的带宽进行通信.但目前HomeRF的传输速率只有1～2(Mb/s).FCC建议增加到10Mb/s.

　　HomeRF能通过载波监听多重访问/冲突避免协议提供数据通信服务.同时,HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成,支持广播、多播和48位IP地址.3.3　Bluetooth技术　　Bluetooth(蓝牙,IEEE802.15)是一项最新标准,Bluetooth计划是由爱立信、诺基亚、英特尔和东芝等五

大公司发起的.它的目标是提供一种通用的无线接口标准,用微波取代传统网络中错综复杂的电缆,在Bluetooth设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信.　　Bluetooth的技术特点为,以1600跳/s的速率进行跳频通信,以2.45GHz为中心频率,选用了79个频点,信道带宽为1MHz.在发射带宽为1MHz时,其有效数据速率为721kbit/s,通信范围约为10m.设计适用于多种频率的环境,使用前向纠错(forwarderrorcor2rection)限制远程链接的频率干扰.其组成包括语音单

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元、无线单元链接控制模块、链接管理部件和软件单元.Bluetooth技术中的跳频更快,因而更加稳定,同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点.Bluetooth规范的协议栈采用分层结构,完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量(QoS)、协议的复用和分用等功能.　　Bluetooth比802.11更具移动性,比如,802.11限制在办公室和校园内,Bluetooth能把一个设备连接到LAN和WAN,甚至支持全球漫游.此外,Bluetooth成本低、体积小,可用于更多的设备.但是,Bluetooth主要是点对点的短距离无线发送技术,本质上是RF或是红外线,而且Bluetooth被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用,严格来讲,不算是真正的局域网技术.　　目前,Bluetooth技术得到了许多厂家的支持,但其在家居环境下的通信质量依然不太理想,与HomeRF相比,抗干扰能力不强,而且受到干扰后,数据速率迅速下降　　802.11比较适于办公室中企业无线网络,HomeRF可应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信,而Bluetooth技术可应用于任何能用无线方式替代线缆的场合.目前这些技术还处于并存状态,但是有可能引起干扰等问题,从长远看,随着产品与市场的不断发展,它们将走向融合,而其中最有竞争力的就是Bluetooth技术.

表2　三种无线组网技术的比较

Tab.2　Comparisonofthreewirelessnetworkingtechnologies无线组网技术标准及相应组织

IEEE802.11HRIEEE802.11HomeRF工作组SWAP协议BluetoothSIG

始涉足家庭网络,或已在短期内提供家庭网络业务.特别是一些电信网络巨星,如Cisco、英特尔、北电、摩托

罗拉、朗讯、IBM和松下等公司都已问鼎家庭网络市场,或联合开发家庭网络产品和标准,并已成为网络市场气势恢弘的新景观.21世纪是信息、网络世纪,网络进入家庭是大势所趋,为此,中国的计算机、电子、通信等领域的科研机构应重视并加大力度研究家庭网络组网规范和开发相关技术.参考文献:[1]　家庭网络技术综术[J/OL].http:∥www.yesky.com/

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传输速度/

(Mbit・s-1)11

范围/m成本

802.11100～200较高

HomeRFBluetooth

101

10035

较低较低

[12]　WaldoJ.TheJiniarchitecturefornetworkcentriccomputing[J].

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　注:工作情况均为利用电磁波.

[13]　JoelAD,RichardH.TheVESAHomeNetworkWhitePaper:

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4　结　语

　　随着家庭连网技术的发展,许多电信网络公司开