典型数字家庭设计实例集锦（一）

　　编者按：随着经济和技术的发展，人们对通信服务的需求已不再是简单的话音和单向的视频，而是更快速、更丰富、交互式的宽带多媒体业务。宽带通信与互联网的普及极大地促进了数字媒体内容的发展。而今，除了家电产品数字化的革新之外，构建一个宽带接入、内部互联、内容共享的家庭网络也日趋突显。

　　一、数字家庭网络组网方式

　　从产业发展的潮流看，通信、信息、娱乐等技术迅速成熟并开始融合，3C融合的趋势已经显现，信息资源在个人终端上得以整合，个人用户可以直接面对一个虚拟的信息平台进行操作，设备和信息之间实现无缝链接，所有这些使得“数字家庭网络”这个话题越来越热。

　　1 数字家庭网络的定义和业务应用

　　数字家庭网络是指通过家庭网关将公共网络的功能和应用延伸到家庭，并以可灵活配置的家庭智能布线系统为基础或者构筑无线环境，连接各种信息终端（如家电、PC等），提供集成的话音、数据、多媒体、控制和管理等功能，达到信息在家庭内部终端与外部公共网络及家庭内部终端之间的流通和共享。

　　数字家庭网络的业务通常定位于三个方面：a.家庭影音娱乐，观看影片、欣赏音乐、个人影音STudio.b.电信及广播业务，VOD、VOIP、IPTV、网络游戏、远程办公/教育/医疗。c.控制和监视功能，实现安防、电器控制、抄表、电源管理。通过数字家庭网络可以实现以下业务和应用：a.与Internet互联，通过机顶盒和电视机或者电脑实现VOD点播，并提供基于活动服务器网页（Active Server Page，ASP）的海量存储和个性化的信息服务及互动的Internet娱乐游戏等服务。b.实现家庭内部各种信息终端的高速信息共享，如PDA、PC之间的数据共享。c.通过家庭网关实现远程对各种家用电器的控制、调节和监测，如对微波炉、洗衣机、空调、灯光、电动窗帘、温度和湿度控制器、风量调节器等的控制。d.实现防盗报警器、自动烟雾探测器、有害气体检测装置的自动报警并通过网络发送到用户的手机、E_mail信箱或者小区的管理中心。e.通过家中摄像头，利用家庭网关作为视频服务器，用户可远端通过Internet实时监控家庭安全。

　　2 数字家庭网络的组成

　　数字家庭网络结构如图1所示，通常有三部分组成：a.家庭网关；b.各种信息终端设备和智能家电设备；c.家庭智能联网环境的构筑，即将数字家庭内各类终端互联并与家庭网关相连，通过家庭内部有线或无线方式的互联技术实现家庭网络各信息终端设备和智能家电设备的自组织联网并提供自动发现和配置。其中家庭网关（Residential Gateway，RG或Home Gateway，HG）是数字家庭网络的核心，是一种简单的、智能的、标准化的、灵活的个人家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通信信号，将信号传递给某个设备。RG也是整个家庭网络与外部网络联系的桥梁，是数字家庭各种业务和应用的关键。ITU-T 已经将家庭网络纳入NGN（新一代网络）的一部分，而RG将在其中扮演重要角色，RG在NGN中的位置及其与外部的连接如图2所示，MGC为媒体网关控制器，MG为媒体网关。

　　RG应具备以下功能：a.可同时进行多个或不同种类的接入，同样家庭网络可以使用多种技术来构建；b.能同时处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术；c.能桥接接入网QoS和家庭网络的QoS;d.能保障访问的内容不依赖于用以传送内容的硬件和传输机制；e.能灵活地支持最新技术；f.应建立在灵活的平台上，并且能够很容易升级。

　　

　　图1 数字家庭网络的结构

　　

　　图2 NGN与家庭网关

　　3 数字家庭网络的组网方式

　　3.1 数宇家庭网络内部组网方式

　　家庭网络是把家庭内部的设备进行汇聚，构成以RG为中心的通信网络，因而家庭网络的连接技术主要是家庭内部各个终端的接入问题。RG与运营商连接端可选用GPON接入方式，对于RG 内部与各设备间的互联可选用多种技术，每种技术都有其特点和适用的范围。

　　RG内部与各设备间的互联最通用的连接方式是以太网，所有的设备可以以太网的接口进行互联，但有线网络在某些场合会受到布线的限制：布线、改线工程量大，线路容易损坏，网中的各节点不可移动。因此，还可以通过无线局域网作为接入方式。

　　无线局域网标准可选用IEEE 802.1la/b/g，其中802.1la/g的传输速率为54 Mb/s，802.11b的传输速率为11 Mb/s，802.11a和802.11b工作在两个完全不同的频带，采用完全不同的调制技术，两者是完全不兼容的，但可以共存于同一区域而互不干扰。

　　最新批准的802.11g有两个最主要的特征：高速率和兼容802.1lb.802.11g标准是下一个主流的无线局域网标准，它提供了高速数据通信带宽，并以较为经济的成本提供了对原有主流无线局域网标准的兼容。除此之外，家庭内部组网还可以使用PI T（电力线通信技术）、HomePNA（家庭电话线网络联盟，是一种家庭网络的计算机互联标准）技术、HomePNA on COAX（基于同轴电缆的HomePNA）技术、蓝牙、USB和DECT（增强型数字无绳通信）等。

　　3.2 数字家庭网络与外部公共网络的连接

　　随着宽带业务应用的多元化及带宽需求的不断提高，近两年来全球掀起了光纤接人的热潮。面向未来的宽带应用包括语音（VoIP和视频电话）、数据（高速Internet业务）和视频（IPTV）三大类。由于每一类宽带应用对接人带宽的需求不同，因此需要选择不同的宽带接人方式。目前国内绝大多数宽带接人用户的主要应用是高速互联网接人，xDSL或LAN可满足绝大多数普通用户需求。但如果还需要利用宽带接人实现其它各种宽带应用，包括各种视频服务（广播电视、HDTV、VOD等）、视频会议、视频电话、交互网络游戏等时，原有的接人技术在带宽上就显得难以胜任了。而GPON 接人方式可提供更高带宽，为此类高端用户轻松提供充足的带宽以享受各类宽带业务。

　　虽然上一代技术（BPON、EPON）可以满足当前网络的需求，但是基于1P协议的互动电视和高清晰度电视，以及电信运营商向综合信息服务转型后对网络的要求更高，只有GPON才能更好地满足。首先，GPON可支持多种速率等级，可支持上下行不对称速率，上行不一定要支持1 Gb/s以上速率，而EPON只能支持对称1 Gb/s单一速率，因此GPON的光器件选择余地更大，从而可降低成本。其次，GPON可支持oDN等级Class A、B和C，而EPON只支持Class A 和B，因此GPON可支持高达128的分路比和长达20 km 的传输距离。再者，GPON标准提供了前所未有的高带宽，下行速率高达2.5Gb/s，上行速率1.2 Gb/s，其非对称特性更能适应宽带数据业务；支持的业务类型包括数据业务（Ethernet业务，1P业务和MPEG视频流）、PSTN业务（POTS、ISDN业务）、专用线业务（T1、E1、DS-3、E3和ATM）和视频业务（数字视频）；提供QoS的全业务保障，同时可将多业务映射到ATM 信元和（或）GEM（GPON Encapsulation Method）帧中进行传送且有很好的服务等级，支持QoS保证和全业务接人的能力；承载GEM 帧时，可以将TDM 业务映射到GEM 帧中，使用标准的8 kHz（125 s）帧，能够直接支持TDM 业务；作为电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM 功能；GPON技术还允许运营商根据各自的市场潜力和特定的管制环境，有针对性地提供客户所需要的特定业务。

　　相对于上一代技术，GPON无论是在传输汇聚层还是在业务适配层的效率都是最高的，其总效率最高，等效系统成本最低。假设TDM 业务占1O 、数据业务占9O ，则GPON 的总效率为94 ，而APON和EPON分别为72 和49 .GPON不仅可以提供10 Mb/s、100 Mb/s、1 Gb/s的业务，还可以提供VI AN业务和语音业务，可以适应任何现有业务和未来新业务的适配要求。

　　GPON 由光线路终端（OLT）、光网络终端（oNT）及环形（或树形）拓扑结构的PON 组成。

　　OLT位于中心机房，向上提供广域网接口，包括GbE，OC-3/STM一1，DS-3等，向下对PON 可提供1.244 Gb/s或2.488 Gb/s的光接口。ONU/ONT位于用户侧，为用户提供10/100 BaseT，T1/E1，DS一3等应用接口，其对PON 的光接口速率有155Mb/s，622 Mb/s，1.244 Gb/s和2.488Gb/s等多种选择。从oLT到ONU/ONT的方向为下行方向，采用广播发送的数据流传输方式；反之为上行方向，采用基于统计复用的时分多址接人（TDMA）技术。

　　PON通过粗波分复用（CWDM）覆盖实现数据流的全双工传输。PON一般采用树形拓扑结构，在需要提供业务保护和通道保护的情况下，可增加保护环，对某些ONT提供保护功能。

　　目前，基于GPON技术的FTTx是宽带接人的最佳技术，是实现语音、数据、视频三网融合的保证。

　　但GPON技术设备相对复杂，GPON承载有QoS保障的多业务和强大的OAM 能力等优势，很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价换来的，从而使得相关设备成本较高。随着GPON技术的发展和大规模应用，GPON设备的成本将会下降。

　　4 总 结

　　在网络和通信技术快速发展的今天，数字家庭网络有着重要的研究价值，它是公共网络服务向家庭的延伸，也是电信运营商和网络运营商下一个重要的市场扩展空间。高速的家庭业务需要高的带宽，因此数字家庭网络的接人技术也是随之研究的一大热点，GPON无疑将成为未来接入网的最好选择，数字家庭网络和GPON结合是未来家庭宽带业务发展的必然结果。

　　二、基于智能网关的数字家庭网络系统设计

　　引言

　　可以预见，未来几年将是宽带网络发展和家庭网络普及的上升期，随着全球3C（Cornputer，Communication，Cosumer）的融合趋势，数字家庭网络系统将是计算机、数字家电和移动信息终端通过有线或无线网络的无缝协作。

　　目前的数字家庭网络，除了PC和家庭网关／路由器以外，又出现了媒体适配器及媒体服务器，这类新设备将许多媒体处理任务从PC中分流出来，构成一种无中心网络结构，如何将家庭控制网、数字数据网和家庭A／V网这三个相互之间异构的网络共同构成家庭高速信息网，以实现网络接入、防盗报警、室内电器自动控制管理、门禁对讲、远程抄表、远程Web监控、视频点播等成为信息技术领域中的一个研究热点。

　　l 数字家庭网络系统主要研究内容

　　1．1 数字家庭网络系统的基本功能

　　数字家庭网络通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸到家庭，并以可灵活配置的家庭智能布线系统，连接多种多样的终端设备，提供集成的话音、数据、多媒体、控制和管理等功能，达到信息在家庭内部终端与外部公网及家庭内部终端之间的充分流通和共享。其具备以下功能：

　　家庭网关可同时连接多个或不同种类的接入技术，如支持ADSL和局域网接入。在系统功能上能够同时处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。

　　家庭网络分为三部分：家庭控制网、数字数据网、家庭A／V网，这三种网络在传输速率、带宽需求、传输介质、安全要求以及QoS（网络服务质量）要求上均有明显差异，因此可以使用多种技术来构建，家庭控制网以采用基于X-10总线协议的PLC电力线载波技术为传输介质；而数字数据网、家庭A／V网以无线为传输介质，采用超宽频UWB技术，以极低功率的信号实现114 Mb／s的传输速率，满足多媒体业务对带宽的需求。

　　支持射频接入技术，用户通过家庭网关内置的Web Server功能控制高频头选台，并通过多媒体编码器实时捕捉模拟数据流，编码转换为符合数字标准（如MPEGl）的数字媒体流，经WLAN传输到各多媒体播放终端，实现家庭内部各种信息终端的高速信息共享。

　　家庭网关能桥接接入网QoS和家庭网络的QoS，保障访问的内容不依赖于用以传送内容的硬件和传输机制；通过模块的远程下载功能，灵活地支持最新技术，使得系统很容易升级，以支持未来新兴业务。

　　通过家庭网关内置的Web Server功能实现远程对各种家用电器设备的控制、调节和监测，并通过SSID和VLAN技术保证用户控制命令和数据的安全性。

　　家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet、远程办公。

　　1．2 数字家庭网络系统架构设计

　　以PLC电力线载波技术和UWB无线通信技术为基础，开发基于智能网关的数字家庭网络系统，采用嵌入式家庭网关将家庭数据通信网、家庭A／V网、家庭控制网有机的结合在一起，以标准C和JAVA作为开发平台，采用RC232434作为嵌入式系统核心CPU，应用嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，采用多SSID技术、VLAN技术和VPN技术实现智能路由，并提高QoS品质，通过家庭网关服务器将小区网络信号、射频数字电视信号、电话信号、音视频信号、家电控制信号同时纳入到家庭网络中，实现处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。数字家庭网络系统架构系统框图如图1所示。

　　

　　1．3 嵌入式家庭网关架构框图及分析

　　家庭网关架构框图（如图2所示）有7个模块：

　　

　　（1）RC32434 CPU核心模块，是家庭网关最为核心的部分，以Linux操作系统为核心，管理、协调各周边模块。主要实现网络协议转换、智能路由、QoS动态配置、网络安全等功能；

　　（2）以太网接口模块是管理多个以太网接入端口，负责实现轻量级TCP／IP协议栈；

　　（3）ADSL电话接口模块，实现电话信号的数字化，并通过UWB进行传输，同时可将宽带ADSL信号解调后进行广域网服务端口和局域网网络服务器之间的转发规则映射；

　　（4）射频接口模块，内置高频头，对高频电视信号进行处理，具备选频、放大及变频功能，并通过多媒体编码器实时捕捉模拟数据流，编码转换为符合数字标准（如MPEG1）的数字媒体流；

　　（5）PLC电力线载波接口模块，通过PCI总线与RC32434 CPU进行信息交互，将外网对家电控制信息通过电力线载波的方式传输给各家电终端，此模块实现采用正交频分复用（OFDM）调制和前向纠错等核心算法；

　　（6）UWB无线通信模块，通过PCI总线与

　　RC32434 CPU进行信息交互，将宽带网络数据和多媒体音视频流通过超宽频UWB传输，同时接收PC和媒体终端的流媒体，通过网关转发到外网或内网；

　　（7）Web Servet管理模块是家庭内部各种智能应用终端的信息和状态均以网页的形式通过Web服务器传给远程监控用户。

　　系统引入VPN技术，远程用户可以通过Access VPN接入家庭网关，实现对家庭网络的安全远程访问和控制。家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet、远程办公。

　　2 数字家庭网络系统技术原理

　　2．1 PLC技术原理

　　PLC利用1．6～30 MHz频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。PLC技术主要包括电力线网络单元（PNU），它负责控制电力线网络并从单元配电网集成话务，通过适当的电信干线接口，PNU再将话务传至馈电网络。根据馈电网络中使用的不同介质，PNU也可转换来自低压配电网的数据话务。

　　2．2 UWB技术原理

　　UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲 间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽为0．1～1．5 ns，重复周期在25～1 000 ns。

　　3 系统创新内容

　　3．1 应用创新

　　3．1．1 基于RC32434的MIPS+Linux的系统平台

　　本系统采用IDT的RC32434 Interprise集成通信处理器，其采用32位MIPS 4Kc CPU，支持标准媒体独立接口（MII）及简化标准媒体独立接口（RMII），在此硬件平台上移植Linux，并且开发了多协议应用协议库和设备驱动程序，MIPS+Linux系统平台具有良好的稳定、移植性、优秀的网络功能、完整的TCP／IP协议栈、完备的对各种文件系统的支持，以及标准丰富的API，其内核紧凑，编译后小于512 KB。

　　3．1．2 多SSID和VLAN技术应用

　　家庭网关可采用无线传输方式（如通过802．1lX）进行家庭内部组网，引入SSID技术可以将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每一个子网络都需要独立的身份验证，防止未被授权的用户进入本网络，而且采用多SSID技术可以实现虚拟AP功能。不同的SSID可以采用不同的认证方式及访问权限，也可映射为不同的VLAN，实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离。

　　3．1．3 强型X-10的总线技术应用

　　家庭控制网采用X-10的总线传输技术，性价比高、兼容性、可扩充性强等优点被广泛应用于家庭控制网络，但由于其是在电力线中传播数据，抗干扰能力较差，为了解决此问题需要对X-10协议进行改进和扩充，使其具用较强的抗干扰特性，且兼容标准的x-10协议。

　　3．1．4 VPN技术应用

　　将VPN技术应用于家庭网络，可采用Access VPN和Intranet VPN两种技术。远程用户可以通过Access VPN接入家庭网关，实现对家庭网络的安全远程访问和控制。家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet、远程办公。

　　3．2 技术创新

　　3．2．1 家庭网关的多业务、多种端口技术

　　家庭网关应使用户能连接家里尽可能多的设备。网络运营商可利用这些设备捆绑多种业务，控制从基础设施到终端设备等家庭网络中所有设备上的业务。因此在硬件上采用多端口设计方案，具有RJ45，RJll，PLC，WLAN和射频多种接口，这样可通过网关方便连接如IPTV机顶盒、网络游戏终端、IP电话终端等多种终端设备。在软件上采用实时多任务操作系统和模块化设计思想，支持模块的远程下载更新，以支持未来新兴业务的媒体设备，使得家庭网关成为服务提供商与用户之间最重要的接口。

　　3．2．2 三网合一内部网络协议转换技术

　　家庭网关连接家庭数据通信网、家庭A／V网和家庭控制网，其在网络协议、传输码流、网络服务质量以及传输载体上都有较大差异，如何实现网络异构，保证数据传输的安全，应由家庭网关内部网络协议转换模块完成，并且通过SSID和VLAN技术实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离，提高用户数据的安全性。家庭网关的物理接口可支持UWB和PLC两种传输方式，为用户提供便捷的接入方式，如控制网可采用基于x-10协议的电力线载波传输模式，移动媒体终端采用UWB传输技术，保证对带宽的需求。

　　3．2．3 QoS（网络服务质量）动态配置技术

　　QoS的实现需要在家庭网关上实现外部网络和家庭网络之间的带宽映射分配机制，将外部网络中业务流按照家庭网络情况进行重新映射分配，需要在家庭网关上实现带宽的动态预留和分配功能，家庭网关需要同时实现外部网络和家庭网络的服务质量机制，保证端到端的QoS。另外，需要对家庭中各个终端的QoS能力进行定义，制定终端设备和家庭网关之间的QoS信令机制。

　　3．2．4 网络数据*滤技术

　　网络IP报文的IP报头及所承载的上层协议（如TCP）报头的每个域包含了可以由路由器进行处理的信息，可以由这些域的各式各样的组合形成不同的规则。家庭网关提供了基于接口的*滤，即可以在宽带上行口的进出两个方向上对报文进行过滤，提高网络传输流量，保障网络安全。

　　4 结语

　　“处处计算，处处连接”是数字家庭的最终目标，在宽带网络完成最后一公里接入之后，随着家庭网络的普及，多种多样的终端设备将逐步完成宽带最后一米的延伸，将更多更好的服务推送到家庭。本文提出采用PLC电力线载波和超宽频UWB技术构建家庭控制网、家庭数据通信网和家庭A／V网，通过智能网关的管理实现三网合一，为数字家庭梦想的实现推波助澜。

　　三、基于电力线数字家庭实现方案

　　摘要：分析了电力载波数据通信的特点，介绍了几种典型的电力载波芯片，提出了一个基于电力线的数字家庭实现方案。

　　关键词：电力线　电力线载波　数字家庭

　　信息时代的来临，使信息家电日益受到市场和厂家的关注。伴随着网络技术的发展与迅速普及，人们的生活方式正在发生深刻的变化。所谓数字家庭的概念和现实需求正渐渐向我们走来。

　　数字家庭作为一个动态过程，应该包含三方面的内容：（1）信息产品的家电化，如机顶盒、web游戏机、web电视、web电话，还有掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品；（2）传统家电的数字化和网络化，如电冰箱、洗衣机、微波炉等植入数字网络技术，使之工作于家庭网络环境的基础上；（3）基于家庭网络环境开发出的新的应用模式。

　　数字家庭的实现面临着两方面的问题：（1）家庭信息需求的具体化，即数字家庭的概念模型到实际模型，国内外都进行了一些有益的探索；（2）技术解决方案，包括网络接入方案和设备互连方案。蓝牙技术为设备间的无线互联提供了一种理想的解决方案。由于价格上的原因，该技术的普及还有一些困难。居家所固有的低压电力线布线结构为实现设备的数字互连提供了一种潜在的可能。本文试图对电力线数据传输的特点进行分析，介绍几种现有的电力线载波芯片，并提出一种基于电力线布线结构的数字家庭实现方案。

　　1 电力线数据传输的特点

　　本文所指电力线是指用户端低压电力配线网，其主要功能是传输50Hz的工频电能。利用电力线实现数据传输即采用电力线载波技术。由于电力线本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。从通信角度来说电力线对数据传输还有一系列技术上的难点，其主要特点如下：

　　（1）配电变压器对电力载波信号的阻隔。配电变压器主要实现50Hz工频电能的变换，因此对高频电力载波信号起阻断作用。这使得电力载波数据传输的范围受到一定的限制。通常只能在一个配电变压器范围内或更小的范围内传送。

　　（2）三相电力线间有效信号的损失（10dB~30dB）。由于信号跨越相线时要与配电变压器的副边发生关联，必然引入衰减。对于近距离，不同相之间或许可以收到信号。但是距离一远就比较困难了。这是对电力载波传输范围的又一个限制因素。通常电力载波信号只能在单相电力线上传输。

　　（3）电力线本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100Hz或120Hz脉冲干扰，干扰时间约2ms。固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又较长，难以应用。

　　（4）电力负载对载波信号衰减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1Ω以下，造成对载波信号的高衰减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输几公里；但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求。提高载波信号功率会增加产品成本和体积，而且，单一提高载波信号功率并不是有效的方法。

　　（5）电力设备产生的噪声干扰。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，会给电力线带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线藕合下来的噪声一般在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号，通讯距离会相当短。

　　（6）电力线引起数据信号畸变。电力线网本身是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响是不一样的，同时电力线时刻动态变化，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，严重变形、参差不齐，必须加以特殊处理。

　　基于以上六个特点，电力线作为数据信号的传输介质不是特别理想。进入20世纪90年代以后，随着通信技术的发展，电力线载波技术已经获得了重大突破。1997年10月，英国联合电力公司的通信子公司Norweb公司与加拿大Nortel公司联合宣布已经解决了电力抗干扰等问题。1998年夏天，Norweb 公司已为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供通过电力线的因特网服务，速率达到了1Mbps，比现行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德国RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德国莱锡林根向公众展示利用电力网线传送电话和数据的技术，用户通过低压电力线以高于现在ISDN 20倍的速率在因特网上传输和浏览数据。1999年4月，一家以色列公司和一家美国公司也宣布，他们正在联合开发借助公共电力网传送因特网数据的新技术，1999年内将使因特网传输速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未来一两年内提高到10Mbps。

　　2 现有几种电力线载波芯片

　　实现电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用modem芯片的设计和应用。国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网（480Y/277V，208Y/120Vac）的标准频率范围100kHz~450kHz和针对欧洲地区电网（400Y/230Vac）的标准频率范围9kHz~150kHz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。国内可使用的电力线载波modem芯片有以下几种：

　　（1）XR2210/XR2206套片或LM1893

　　这是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式。它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。

　　（2）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。ST7536是半双工的FSK modem芯片，600bps时灵敏度为2mV，1200bps时灵敏度为3mV。它针对电力线载波通讯采用了数字滤波器、AFC（自动频率控制）、ALC（自动输出幅度控制）以及软件上的3字节容错等现代通讯技术。ST7536也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的FSK方式，加上3字节容错，最高波特率只能达到400bps。另外它无CSMA（网络载波侦听）功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域，ST7536是最适合的modem芯片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按1200bps计算，每833μs中断一次，对更复杂的应用来讲，833μs间隔短了一点。

　　（3）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100kHz~400kHz，电网电压480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用线－地藕合方式。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。因此比较适合基于电力线网的家庭局域网的应用。

　　（4）PLT-22

　　PLT-22是Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的。它采用BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较理想。但是由于它是Lonworks网络专用，而且价格太高，因此在市场普及上有一定的困难。

　　3 实现方案

　　数字家庭一个主要应用领域就是基于网络实现对家电的控制，如网络空调、网络冰箱、网络电饭锅等。家电网络化的目的在于实现用户对家电的异地远程监控，如通过Internet对家里的空调进行遥控操作，包括开机、关机、温度调节等。另外，家庭电器设备与相关机构的互连，如网络冰箱可以将冰箱内的物品消耗和存量情况通报物流配送公司。物流配送公司将根据用户的消费习惯及时补充物品。

　　基于电力线网信息家电的实现方案可以包含两个部分：一是家庭局域网与外部的连接?二是基于电力线布线的家庭局域网。家庭网与宽带城域网的外部互连方式有多种，目前比较流行的大概有三类：

　　（1）HFC方式：采用现有的CATV传输网络双向功能的开发，实现用户的宽带接入。

　　（2）ADSL方式：利用电话线实现用户宽带接入的经济而有效的方法。

　　（3）LAN方式：利用小区局域网技术，采用双绞线构建楼宇用户内外的宽带互连方式。

　　组建家庭局域网的内部接入方式也有多种形式，目前正在积极实验和试图投入商业应用的主要方式有以下几种：

　　（1）无线方式：以蓝牙技术为代表的近距离无线接入方式在信息家电领域有较大发展。但是由于价格上的原因，普及应用上还有一些困难。

　　（2）双绞线方式：采用分离的专门网线实现信号的传递，这在实际使用时有诸多不便。

　　（3）电力线方式：由于采用与电器供电线路一体化的信道方式，可避免重新布线。便于电器的任意移动。尤其适合网络接入部分的嵌入式设计。一个基于电力线网的数字家庭实现方案如图1所示。

　　

　　在该方案中家庭内部的互连通过电力线实现。其关键设备是电力线耦合器和电力线modem。这两部分可以作为一个整体嵌入在各个信息家电里。这种设计理念将有助于构建完整的一体化数字家庭，而且无需增加附加的布线资源。

　　图1中，智能家庭网关是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元。它通过各种途径（如Internet、WAP、电话、手机等）从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络将信号传送到特定的用户设备上，并将相应信号反馈给外部通信节点，实现整个远程交互过程。

　　智能家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享及同外部通信网络之间的数据交换，同时网关一般还负责家庭智能设备的管理和控制。为适用于普通的家庭用户，网关一般设计为非PC廉价设备，采用嵌入式Internet技术和高性能微处理器。

　　智能家庭网关应具备以下功能：

　　·Internet接入功能；

　　·简单的modem功能；

　　·Web服务器功能；

　　·简单的内部网络协议转换功能；

　　·智能家居控制和管理功能；

　　·简单友好的用户操作界面；

　　·具有系统升级和重构功能。

　　用户可以在任何地方通过Internet、宽带城域网与家庭智能网关建立连接，再通过智能家庭网关与家庭内部的任何一台信息家电或控制装置相连，从而实现对家庭内部各种电器的控制以及其它信息的监控。家庭用户终端和各种信息家电也可以通过智能网关与Internet或外界沟通。这样使得整个家庭以数字方式与外界构成一种互连关系。

　　传统家电向信息家电的过渡是一个必然趋势，在这一过程中即有传统产品的升级改造问题也有新产品的开发问题，其核心问题还是数字化。数字化只是一个手段，网络化才是其真正的目的。数字家庭的实现是信息家电基于完善的家庭网络平台的系统集成。而电力线网在家庭网络平台的构建中具有极大的开发潜力。因为电力线网可以说是世界上现有分布最广、与普通家庭关系最为紧密的有线网络结构。如何充分利用现有的电力网络承载电话、数据和电视信号是一个很有价值的研究课题。

　　由于我国电力线网与国外电力线网的差异，目前还没有真正适合国内电力线网特性的载波通讯的modem芯片。另外，由于中国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况、电力线载波通讯的应用领域等方面与国外也有很多不同之处。电力线载波通讯modem芯片是制约国内电力线载波通讯市场迅速增长的主要瓶颈之一。同时也延缓了中国用户对电力线载波通讯技术的认同和接受。针对国内电网特性、住宅结构、市场要求等情况的深入研究，通过对国外电力线载波通讯技术的深入了解，利用国外先进的现代通讯技术，开发适合国内电力线载波通讯modem芯片将具有极其广阔的应用前景。

　　针对数字家庭所进行的技术创新应该包含两个方面：一是技术本身的创新，如新型modem芯片的开发；二是应用模式的创新，如家居网关的模型、数字家庭的应用模式等。从某种意义上说后者比前者还要重要。换句话说，设计出人们愿意接受的数字家庭应用模式在引导人们需求的同时也会对技术产生巨大的推动。

　　四、谁将是数字家庭网络无线传输的理想选择？

　　从各方面汇集的信息来看，数字家庭无疑将是消费电子行业中下一个热点。几乎所有的主要半导体公司向该领域发力，半导体巨头TI更是将该领域作为续写其DSP辉煌的舞台。围绕数字家庭的控制权，出现了电视（以电视为核心）、电信（以网络网关为核心）和IT（以PC为核心）三大派别。然而，数字家庭究竟是什么？具有什么样的内涵？围绕数字家庭究竟能为用户演绎出多少“故事”？无论是业内专家，还是消费者虽然都有无限的遐想，但还是很难用三言两语给出一个统一的解释。但可以肯定的是，数字家庭所赋予的内涵会越来越丰富，但这是应用层的事情！而支撑这些丰富应用的底层技术，或者说组网技术将会是怎样的呢？

　　有线媒质在数字家庭传输中受到制约

　　尽管对于很多新装家居来说，可能有各式各样的布线，包括电话线，同轴线，网络类线乃至光纤。尽管这些布线在混合组网中可以发挥一些作用，但是最大一个问题就是无法满足移动性，也无法升级，成本也很高。电力线作为数字家庭的传输媒质，目前已经以HomePlug标准的形式得到了验证，包括Arkados的多家公司都推出了HomePlug模块，数据传输测试效果还不错，从覆盖面上都比其他有线技术要广，似乎比较适合大量的低端主流用户，但就中国的现实情况来看，线路上的浪涌和高压安全问题制约其短期内还难有尚好表现。由此，有线媒质所受的制约将成全无线媒质担当数字家庭中的组网重任。

　　

　　图1：以WiFi为主构建数字家庭网络传输网。

　　WiFi能成为家庭网络的理想支持？

　　说到WiFi，的确有一个很有趣的事情，即数年前许多专家都认为WiFi即将消亡，因为它有太多的局限了，归根结底就是它没有漫游功能，不能自组网，从而只能成为其他技术的附庸。再就是该技术缺乏竞争力的盈利模式。但是，近年来的发展情况却令许多专家跌破眼镜，WiFi的出货量连年激增。目前已成为无线联网的主流技术。然而，另一方面，投入巨资建设WiFi网络的运营商却无利可图，甚至不断亏本，最后高兴的只是芯片制造商，原因就在于WiFi受到其他技术的挤压，没有明确的独立盈利模式。

　　但是，数字家庭似乎为WiFi找到了一个可以独担大任的发挥场合。它使用开放频段，采用直序扩频，最大数据传输速率为11Mbps，也可根据链路衰落状态把传输率动态调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽。无需直线传播传输范围为室外最大300米，室内有障碍的情况下最大100米，足以满足家庭应用，其“无线保真”的本意似乎也和家庭娱乐需求更为贴合。所以，无论是从传输率，还是覆盖都好像很符合数字家庭的应用。当然，也不乏与其激烈竞争的技术，WiMedia 阵营的UWB就是其中一项。Pluse Link的CWave采用的就是这种技术。UWB采用了很多颇具优势的底层技术，包括MIMO，OFDM，数据率目前已经高达近1Gbps。但这项技术侧重的高数据率，其过短的覆盖距离将会制约它在数字家庭中的表现。

　　数字家庭的一个必不可少的功能就是与外界的互连问题。如今，802.11g是WiFi最成功的无线标准。基于WiFi的特性，使得该技术与网络层的无线技术显得更为友好。这可能就是该技术目前在数字家庭领域占据较大份额的原因之一。Broadcom公司无线连接集团无线局域网络（WLAN）事业部副总裁兼总经理Michael Hurlston认为，WiFi如今已经成为数字家庭的最理想的支撑技术。他的理由很简单：那就是针对今天的各种应用，Wi-Fi能够以消费者可以承受的价格提供足够的带宽和覆盖距离。近些年来，Wi-Fi制造商们已经在产品安全性和易用性上取得了可喜的进步。其带来的直接结果，就是Wi-Fi市场的持续膨胀，以及针对各种特殊应用出现的不同变体。另外，他认为随着802.11g逐渐下降的价格、功耗以及技术集成度，将会持续推动其进入数字家庭应用市场，包括移动电话、打印机和媒体播放器。

　　还有一个不可忽视的因素，就是802.11n正在迅速成为无线PC和路由器的事实标准，这将为高速数据传输应用提供了额外的支持。这些应用包括数字家庭中的视频流传输，3D游戏等。802.11n为WiFi提供的5G频段，更是为WiFi添加了新的动力，使之具备了进入包括机顶盒、高清电视、媒体播放器等消费类电子领域的能力。“通过两个标准的互补，使得WiFi生态环境将继续改进人们在家庭中的沟通方式以及对媒体节目的享受体验”，Hurlston认为。

　　但另一方面，无论是802.11g，还是802.11n，其频率的衰落特性在数字家庭中都将受到考验，尤其是后者。需要考虑的应该是事情的两个方面，一方面要考虑建筑物衰落特性对应用QoS的影响，另一方面还要考虑加大功率时产生的综合EMI问题。尤其是中国单元式住房结构与西方国家有很大的不同。

　　ZigBee还能否赶上数字家庭的盛宴？

　　数字家庭中有很大一块任务属于控制域，即传感器网络的范畴。涉及到安全监控，自动抄表，远程控制和维修，各种电子电气设备的控制等。这类任务无需太高的传输速率，但可靠性和网络体系更为主要。这些特性似乎决定了ZigBee成为其最为理想的选择。飞思卡尔香港有限公司无线与移动系统事业部市场经理邝景亮就是如此认为的，他说：“ZigBee具有路径选择、自动连结网络及自我恢复等主要功能，非常适合数字家庭中的监控、控制与感测式网络应用”。但他同时认为，目前由于设备更新和成本问题，ZigBee将首先仅在灯光控制中得到应用。

　　

　　图2：ZigBee网络中的三级设备类型。

　　ZigBee协议定义了三种节点类型-网络协调器、路由器和终端设备。ZigBee网络协调器是整个网络的中心，它负责的功能包括建立，维持和管理网络，分配网络地址等。协调器可以通过选择网络的工作信道和个域网识别标志（PAN ID）来启动一个ZigBee网络。一旦网络启动，路由器和终端设备就能加入网络并通过网络发射和路由数据。该网络具有严格的级别管理，终端设备不能参与路由数据，因此在不发射和接收数据时可以休眠。这些特点恰恰与数字家庭中的控制功能相匹配。ZigBee的覆盖距离最大为近100米，这点与家庭应用也比较贴合。

　　其实，ZigBee还有另外一个优点，那就是工作频段问题。该技术除了ISM频段外，还支持其他多个频段。有不少工程师认为400M和800M频段对数据家庭网络可能都是不错的频率选择。的确，这些频段对中低速数据传输有优势，尤其是许多公司都有成本很低的收发器模块。从而在成本上更有优势，另外，也有利于无线电爱好者开发相关产品，从另一个方面促进数字家庭网络的推广。

　　然而，ZigBee网络也存在着一些问题，如由于网络地址重复和更改而造成的寻址机制的缺陷，面对目前不断增加的组网能力和安全需求，协议中的存储容量难以满足802.15.4MAC/PHY、ZigBee网络层以及其他所期望的应用功能需求。还有一个关键缺陷是，ZigBee不能够像蓝牙技术那样，支持信道的动态切换。这对未来数字家庭中WiFi，ZigBee混合组网以及QoS的保证都将是一个挑战。

　　除了技术本身，ZigBee联盟自身存在的问题也对该技术能否在数字家庭中大显身手蒙上一层阴影。那就是如何针对现有协议标准进行升级的问题。由于商业利益，标准的几大关键发起厂商各说各话，都不愿放弃对己有利的条款，始终难以达成有效的折衷。也正是这一点，使得该标准的进展就像老牛拉破车一般缓慢。

　　也正是由于上述因素，迫使不少厂商另辟新径，许多准ZigBee的解决方案不断涌现。如ST，Jennic，Maxstream以及富昌电子等公司的简易ZigBee解决方案。这些简易方案已经在家庭控制等许多方面得到了不少的应用。

　　从目前的态势来看，市场需求对ZigBee的压力似乎还不够大，因为数字家庭技术还处在探索阶段，受社会服务器网络以及管理体制等多方面的制约，中国的数字家庭市场似乎还不会那么快膨胀，这给ZigBee提供了喘息的机会。但笔者认为，任何时候都不要忘记中国消费者在这方面的超前习惯，早期培育有利于厚积薄发。

　　家庭网络中的QoS和安全更为关键

　　虽然不同于运营商级网络，数字家庭网络中的QoS也是非常关键的。关于保证QoS的MAC，如今的数字家庭解决方案中似乎少有人提及，而是将注意力都放到了带宽上。实际上，数字家庭网络的QoS的重要性只会比现有局域网更高。试想，当你正在全神贯注地欣赏点播的高清节目，谁能乐意不断地被其他不相关的业务所打扰？

　　值得欣慰的是，已经有公司注意到了这个问题的重要性。已经有公司推出支持IEEE802.15.3b MAC的芯片。这种MAC是支持IP的，从底层开始设计。利用该MAC，就能支持同步的数据流，实现数字家庭中不同地点的大容量娱乐内容的可靠配送。

　　还有一个关键就是数字家庭网络中的安全技术。目前，已经很多人将个人金融或家庭银行列入数字家庭中不可或缺的一部分。的确，在家里办理各种金融业务及理财，似乎在地理上非常安全，再也不用担心偷拍偷录等侵犯金融安全的行为，还解决了随时的问题。但随之而来的就是网络安全问题。这不仅是传输网络的安全，而且无论是哪种控制核心，其本身也都是必须考虑的安全环节。