基于智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

O 引言
    可以預(yù)見，未來幾年將是寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和家庭網(wǎng)絡(luò)普及的上升期，隨著全球3C(Cornputer，Communication，Cosumer)的融合趨勢，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是計(jì)算機(jī)、數(shù)字家電和移動(dòng)信息終端通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的無縫協(xié)作。
    目前的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，除了PC和家庭網(wǎng)關(guān)／路由器以外，又出現(xiàn)了媒體適配器及媒體服務(wù)器，這類新設(shè)備將許多媒體處理任務(wù)從PC中分流出來，構(gòu)成一種無中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如何將家庭控制網(wǎng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)和家庭A／V網(wǎng)這三個(gè)相互之間異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成家庭高速信息網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入、防盜報(bào)警、室內(nèi)電器自動(dòng)控制管理、門禁對講、遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程Web監(jiān)控、視頻點(diǎn)播等成為信息技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

l 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要研究內(nèi)容
1．1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本功能
    數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通過家庭網(wǎng)關(guān)將公共網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用延伸到家庭，并以可靈活配置的家庭智能布線系統(tǒng)，連接多種多樣的終端設(shè)備，提供集成的話音、數(shù)據(jù)、多媒體、控制和管理等功能，達(dá)到信息在家庭內(nèi)部終端與外部公網(wǎng)及家庭內(nèi)部終端之間的充分流通和共享。其具備以下功能：
    家庭網(wǎng)關(guān)可同時(shí)連接多個(gè)或不同種類的接入技術(shù)，如支持ADSL和局域網(wǎng)接入。在系統(tǒng)功能上能夠同時(shí)處理多種類型的接入網(wǎng)技術(shù)和多種類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
    家庭網(wǎng)絡(luò)分為三部分：家庭控制網(wǎng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)，這三種網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、帶寬需求、傳輸介質(zhì)、安全要求以及QoS(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量)要求上均有明顯差異，因此可以使用多種技術(shù)來構(gòu)建，家庭控制網(wǎng)以采用基于X-10總線協(xié)議的PLC電力線載波技術(shù)為傳輸介質(zhì)；而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)以無線為傳輸介質(zhì)，采用超寬頻UWB技術(shù)，以極低功率的信號實(shí)現(xiàn)114 Mb／s的傳輸速率，滿足多媒體業(yè)務(wù)對帶寬的需求。
    支持射頻接入技術(shù)，用戶通過家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的Web Server功能控制高頻頭選臺，并通過多媒體編碼器實(shí)時(shí)捕捉模擬數(shù)據(jù)流，編碼轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)(如MPEGl)的數(shù)字媒體流，經(jīng)WLAN傳輸?shù)礁鞫嗝襟w播放終端，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部各種信息終端的高速信息共享。
    家庭網(wǎng)關(guān)能橋接接入網(wǎng)QoS和家庭網(wǎng)絡(luò)的QoS，保障訪問的內(nèi)容不依賴于用以傳送內(nèi)容的硬件和傳輸機(jī)制；通過模塊的遠(yuǎn)程下載功能，靈活地支持最新技術(shù)，使得系統(tǒng)很容易升級，以支持未來新興業(yè)務(wù)。
    通過家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的Web Server功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對各種家用電器設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測，并通過SSID和VLAN技術(shù)保證用戶控制命令和數(shù)據(jù)的安全性。
    家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Intranet、遠(yuǎn)程辦公。
1．2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
    以PLC電力線載波技術(shù)和UWB無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)基于智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)將家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)、家庭控制網(wǎng)有機(jī)的結(jié)合在一起，以標(biāo)準(zhǔn)C和JAVA作為開發(fā)平臺，采用RC232434作為嵌入式系統(tǒng)核心CPU，應(yīng)用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，采用多SSID技術(shù)、VLAN技術(shù)和VPN技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能路由，并提高QoS品質(zhì)，通過家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將小區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號、射頻數(shù)字電視信號、電話信號、音視頻信號、家電控制信號同時(shí)納入到家庭網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)處理多種類型的接入網(wǎng)技術(shù)和多種類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

[!--empirenews.page--]1．3 嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)框圖及分析
    家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)框圖(如圖2所示)有7個(gè)模塊：

    (1)RC32434 CPU核心模塊，是家庭網(wǎng)關(guān)最為核心的部分，以Linux操作系統(tǒng)為核心，管理、協(xié)調(diào)各周邊模塊。主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、智能路由、QoS動(dòng)態(tài)配置、網(wǎng)絡(luò)安全等功能；
    (2)以太網(wǎng)接口模塊是管理多個(gè)以太網(wǎng)接入端口，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)輕量級TCP／IP協(xié)議棧；
    (3)ADSL電話接口模塊，實(shí)現(xiàn)電話信號的數(shù)字化，并通過UWB進(jìn)行傳輸，同時(shí)可將寬帶ADSL信號解調(diào)后進(jìn)行廣域網(wǎng)服務(wù)端口和局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則映射；
    (4)射頻接口模塊，內(nèi)置高頻頭，對高頻電視信號進(jìn)行處理，具備選頻、放大及變頻功能，并通過多媒體編碼器實(shí)時(shí)捕捉模擬數(shù)據(jù)流，編碼轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)(如MPEG1)的數(shù)字媒體流；
    (5)PLC電力線載波接口模塊，通過PCI總線與RC32434 CPU進(jìn)行信息交互，將外網(wǎng)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(shí)現(xiàn)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制和前向糾錯(cuò)等核心算法；
    (6)UWB無線通信模塊，通過PCI總線與
RC32434 CPU進(jìn)行信息交互，將寬帶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和多媒體音視頻流通過超寬頻UWB傳輸，同時(shí)接收PC和媒體終端的流媒體，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到外網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)；
    (7)Web Servet管理模塊是家庭內(nèi)部各種智能應(yīng)用終端的信息和狀態(tài)均以網(wǎng)頁的形式通過Web服務(wù)器傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶。
    系統(tǒng)引入VPN技術(shù)，遠(yuǎn)程用戶可以通過Access VPN接入家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)的安全遠(yuǎn)程訪問和控制。家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Intranet、遠(yuǎn)程辦公。

2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)原理
2．1 PLC技術(shù)原理
    PLC利用1．6～30 MHz頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時(shí)，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在電力線上進(jìn)行傳輸；在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號。PLC技術(shù)主要包括電力線網(wǎng)絡(luò)單元(PNU)，它負(fù)責(zé)控制電力線網(wǎng)絡(luò)并從單元配電網(wǎng)集成話務(wù)，通過適當(dāng)?shù)碾娦鸥删€接口，PNU再將話務(wù)傳至饋電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)中使用的不同介質(zhì)，PNU也可轉(zhuǎn)換來自低壓配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)話務(wù)。[!--empirenews.page--]
2．2 UWB技術(shù)原理
    UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖 間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時(shí)脈沖，超短時(shí)單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機(jī)直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。UWB技術(shù)采用脈沖位置調(diào)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(fù)周期在25～1 000 ns。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新內(nèi)容
3．1 應(yīng)用創(chuàng)新
3．1．1 基于RC32434的MIPS+Linux的系統(tǒng)平臺
    本系統(tǒng)采用IDT的RC32434 Interprise集成通信處理器，其采用32位MIPS 4Kc CPU，支持標(biāo)準(zhǔn)媒體獨(dú)立接口(MII)及簡化標(biāo)準(zhǔn)媒體獨(dú)立接口(RMII)，在此硬件平臺上移植Linux，并且開發(fā)了多協(xié)議應(yīng)用協(xié)議庫和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，MIPS+Linux系統(tǒng)平臺具有良好的穩(wěn)定、移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完整的TCP／IP協(xié)議棧、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持，以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API，其內(nèi)核緊湊，編譯后小于512 KB。
3．1．2 多SSID和VLAN技術(shù)應(yīng)用
    家庭網(wǎng)關(guān)可采用無線傳輸方式(如通過802．1lX)進(jìn)行家庭內(nèi)部組網(wǎng)，引入SSID技術(shù)可以將一個(gè)無線局域網(wǎng)分為幾個(gè)需要不同身份驗(yàn)證的子網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)都需要獨(dú)立的身份驗(yàn)證，防止未被授權(quán)的用戶進(jìn)入本網(wǎng)絡(luò)，而且采用多SSID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬AP功能。不同的SSID可以采用不同的認(rèn)證方式及訪問權(quán)限，也可映射為不同的VLAN，實(shí)現(xiàn)公共熱點(diǎn)與家庭內(nèi)部網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)隔離。
3．1．3 強(qiáng)型X-10的總線技術(shù)應(yīng)用
    家庭控制網(wǎng)采用X-10的總線傳輸技術(shù)，性價(jià)比高、兼容性、可擴(kuò)充性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于家庭控制網(wǎng)絡(luò)，但由于其是在電力線中傳播數(shù)據(jù)，抗干擾能力較差，為了解決此問題需要對X-10協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充，使其具用較強(qiáng)的抗干擾特性，且兼容標(biāo)準(zhǔn)的x-10協(xié)議。
3．1．4 VPN技術(shù)應(yīng)用
    將VPN技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，可采用Access VPN和Intranet VPN兩種技術(shù)。遠(yuǎn)程用戶可以通過Access VPN接入家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)的安全遠(yuǎn)程訪問和控制。家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Intranet、遠(yuǎn)程辦公。
3．2 技術(shù)創(chuàng)新
3．2．1 家庭網(wǎng)關(guān)的多業(yè)務(wù)、多種端口技術(shù)
    家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)使用戶能連接家里盡可能多的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可利用這些設(shè)備捆綁多種業(yè)務(wù)，控制從基礎(chǔ)設(shè)施到終端設(shè)備等家庭網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備上的業(yè)務(wù)。因此在硬件上采用多端口設(shè)計(jì)方案，具有RJ45，RJll，PLC，WLAN和射頻多種接口，這樣可通過網(wǎng)關(guān)方便連接如IPTV機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)游戲終端、IP電話終端等多種終端設(shè)備。在軟件上采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和模塊化設(shè)計(jì)思想，支持模塊的遠(yuǎn)程下載更新，以支持未來新興業(yè)務(wù)的媒體設(shè)備，使得家庭網(wǎng)關(guān)成為服務(wù)提供商與用戶之間最重要的接口。
3．2．2 三網(wǎng)合一內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)
    家庭網(wǎng)關(guān)連接家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、家庭A／V網(wǎng)和家庭控制網(wǎng)，其在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳輸碼流、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量以及傳輸載體上都有較大差異，如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，?yīng)由家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成，并且通過SSID和VLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)公共熱點(diǎn)與家庭內(nèi)部網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)隔離，提高用戶數(shù)據(jù)的安全性。家庭網(wǎng)關(guān)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(wǎng)可采用基于x-10協(xié)議的電力線載波傳輸模式，移動(dòng)媒體終端采用UWB傳輸技術(shù)，保證對帶寬的需求。
3．2．3 QoS(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量)動(dòng)態(tài)配置技術(shù)
    QoS的實(shí)現(xiàn)需要在家庭網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間的帶寬映射分配機(jī)制，將外部網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流按照家庭網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行重新映射分配，需要在家庭網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)預(yù)留和分配功能，家庭網(wǎng)關(guān)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量機(jī)制，保證端到端的QoS。另外，需要對家庭中各個(gè)終端的QoS能力進(jìn)行定義，制定終端設(shè)備和家庭網(wǎng)關(guān)之間的QoS信令機(jī)制。
3．2．4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾技術(shù)
    網(wǎng)絡(luò)IP報(bào)文的IP報(bào)頭及所承載的上層協(xié)議(如TCP)報(bào)頭的每個(gè)域包含了可以由路由器進(jìn)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(guī)則。家庭網(wǎng)關(guān)提供了基于接口的包過濾，即可以在寬帶上行口的進(jìn)出兩個(gè)方向上對報(bào)文進(jìn)行過濾，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

4 結(jié)語
    “處處計(jì)算，處處連接”是數(shù)字家庭的最終目標(biāo)，在寬帶網(wǎng)絡(luò)完成最后一公里接入之后，隨著家庭網(wǎng)絡(luò)的普及，多種多樣的終端設(shè)備將逐步完成寬帶最后一米的延伸，將更多更好的服務(wù)推送到家庭。本文提出采用PLC電力線載波和超寬頻UWB技術(shù)構(gòu)建家庭控制網(wǎng)、家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和家庭A／V網(wǎng)，通過智能網(wǎng)關(guān)的管理實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一，為數(shù)字家庭夢想的實(shí)現(xiàn)推波助瀾。