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

摘 要:基于智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要應用于智能網(wǎng)關(guān)的管理，能實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換和QoS(網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量)動態(tài)配置。該系統(tǒng)以PLC及UWB技術(shù)原理為基礎(chǔ)，基于RC32434的MIPS+Linux系統(tǒng)平臺，多SSID和VLAN技術(shù)，增強型X-10的總線技術(shù)及VPN技術(shù)的應用，實現(xiàn)了家庭網(wǎng)關(guān)的多業(yè)務和多種端口技術(shù)、三網(wǎng)合一的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)、智能路由技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾技術(shù)。

關(guān)鍵詞:數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò); 多業(yè)務和多種端口技術(shù); 智能路由; 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0084-03

Design of Digital Home Network System Architecture Based on Intelligent Gateway

ZHANG Li-tao

(School of Information Engineering， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China)

Abstract: Intelligent gateway-based digital home network system is mainly applied to the management of intelligent gateway， which can achieve the internal network protocol conversion， and QoS(quality of network service)dynamic configuration. The multi-service and multi-port technology of home gateway， triple-net internal network protocol conversion technologies， intelligent routing technology and network data packet filtering technology are achieved based on principles of PLC and UWB technologies， MIPS+Linux system platform of RC32434， multi-SSID VLAN technologies， enhanced X-10 bus technology and VPN technology，.

Keywords: digital home network; multi-service and multi-port technology; intelligent routing; network packet

0 引 言

可以預見，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(Computer，Communication，Cosumer)的融合趨勢，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是計算機、數(shù)字家電和移動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器，這類新設(shè)備將許多媒體處理任務從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)字數(shù)據(jù)網(wǎng)和家庭A/V網(wǎng)這三個相互之間異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成家庭高速信息網(wǎng)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入、防盜報警、室內(nèi)電器自動控制管理、門禁對講、遠程抄表、遠程Web監(jiān)控、視頻點播等成為信息技術(shù)領(lǐng)域中的一個研究熱點。

1 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)可同時連接多個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)字數(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)字數(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現(xiàn)114 Mb/s的傳輸速率，滿足多媒體業(yè)務對帶寬的需求。

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時捕捉模擬數(shù)據(jù)流，編碼轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字標準(如MPEG1)的數(shù)字媒體流，經(jīng)WLAN傳輸?shù)礁鞫嗝襟w播放終端，實現(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)容的硬件和傳輸機制;通過模塊的遠程下載功能，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。

通過家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的Web Server功能實現(xiàn)遠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)，實現(xiàn)Intranet、遠程辦公。

1.2 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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)有機的結(jié)合在一起，以標準C和JAVA作為開發(fā)平臺，采用RC32434作為嵌入式系統(tǒng)核心CPU，應用嵌入式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)實現(xiàn)智能路由，并提高QoS品質(zhì)，通過家庭網(wǎng)關(guān)服務器將小區(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、家電控制信號同時納入到家庭網(wǎng)絡(luò)中，實現(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。

圖1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

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。主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、智能路由、QoS動態(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以太網(wǎng)接入端口，負責實現(xiàn)輕量級TCP/IP協(xié)議棧;

(3) ADSL電話接口模塊，實現(xiàn)電話信號的數(shù)字化，并通過UWB進行傳輸，同時可將寬帶ADSL信號解調(diào)后進行廣域網(wǎng)服務端口和局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務器之間的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則映射;

(4) 射頻接口模塊，內(nèi)置高頻頭，對高頻電視信號進行處理，具備選頻、放大及變頻功能，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數(shù)據(jù)流，編碼轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字標準(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，此模塊實現(xiàn)采用正交頻分復用(OFDM)調(diào)制和前向糾錯等核心算法;

(6) UWB無線通信模塊，通過PCI總線與RC32434 CPU進行信息交互，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 Server 管理模塊是家庭內(nèi)部各種智能應用終端的信息和狀態(tài)均以網(wǎng)頁的形式通過Web服務器傳給遠程監(jiān)控用戶。

系統(tǒng)引入VPN技術(shù)，遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)的安全遠程訪問和控制。家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Intranet、遠程辦公。

圖2 家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)框圖

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，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制，然后在電力線上進行傳輸;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)，它負責控制電力線網(wǎng)絡(luò)并從單元配電網(wǎng)集成話務，通過適當?shù)碾娦鸥删€接口，PNU再將話務傳至饋電網(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。

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格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機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，重復周期在25~1 000 ns。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新內(nèi)容

3.1 應用創(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，支持標準媒體獨立接口(MII)及簡化標準媒體獨立接口(RMII)，在此硬件平臺上移植Linux，并且開發(fā)了多協(xié)議應用協(xié)議庫和設(shè)備驅(qū)動程序，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，以及標準豐富的API，其內(nèi)核緊湊，編譯后小于512 KB。

3.1.2 多SSID和VLAN技術(shù)應用

家庭網(wǎng)關(guān)可采用無線傳輸方式(如通過802.11X)進行家庭內(nèi)部組網(wǎng)，引入SSID技術(shù)可以將一個無線局域網(wǎng)分為幾個需要不同身份驗證的子網(wǎng)絡(luò)，每一個子網(wǎng)絡(luò)都需要獨立的身份驗證，防止未被授權(quán)的用戶進入本網(wǎng)絡(luò)，而且采用多SSID技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬AP功能。不同的SSID可以采用不同的認證方式及訪問權(quán)限，也可映射為不同的VLAN，實現(xiàn)公共熱點與家庭內(nèi)部網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)隔離。

3.1.3 強型X-10的總線技術(shù)應用

家庭控制網(wǎng)采用X-10的總線傳輸技術(shù)，性價比高、兼容性、可擴充性強等優(yōu)點被廣泛應用于家庭控制網(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)議進行改進和擴充，使其具用較強的抗干擾特性，且兼容標準的X-10協(xié)議。

3.1.4 VPN技術(shù)應用

將VPN技術(shù)應用于家庭網(wǎng)絡(luò)，可采用Access VPN和Intranet VPN兩種技術(shù)。遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)的安全遠程訪問和控制。家庭網(wǎng)關(guān)可通過Intranet VPN接入公司的VPN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Intranet、遠程辦公。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

3.2.1 家庭網(wǎng)關(guān)的多業(yè)務、多種端口技術(shù)

家庭網(wǎng)關(guān)應使用戶能連接家里盡可能多的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)運營商可利用這些設(shè)備捆綁多種業(yè)務，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。因此在硬件上采用多端口設(shè)計方案，具有RJ45，RJ11，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。在軟件上采用實時多任務操作系統(tǒng)和模塊化設(shè)計思想，支持模塊的遠程下載更新，以支持未來新興業(yè)務的媒體設(shè)備，使得家庭網(wǎng)關(guān)成為服務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)服務質(zhì)量以及傳輸載體上都有較大差異，如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩瑧杉彝ゾW(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)實現(xiàn)公共熱點與家庭內(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)服務質(zhì)量)動態(tài)配置技術(shù)

QoS的實現(xiàn)需要在家庭網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間的帶寬映射分配機制，將外部網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務流按照家庭網(wǎng)絡(luò)情況進行重新映射分配，需要在家庭網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)帶寬的動態(tài)預留和分配功能，家庭網(wǎng)關(guān)需要同時實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)的服務質(zhì)量機制，保證端到端的QoS。另外，需要對家庭中各個終端的QoS能力進行定義，制定終端設(shè)備和家庭網(wǎng)關(guān)之間的QoS信令機制。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)IP報文的IP報頭及所承載的上層協(xié)議(如TCP)報頭的每個域包含了可以由路由器進行處理的信息，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出兩個方向上對報文進行過濾，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

4 結(jié) 語

“處處計算，處處連接”是數(shù)字家庭的最終目標，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)的管理實現(xiàn)三網(wǎng)合一，為數(shù)字家庭夢想的實現(xiàn)推波助瀾。

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