構建廣電系統的家庭網關及挑戰

李明先，嚴 春

（四川九州電子科技股份公司，四川 綿陽 621000）

何為家庭網關，簡單地說，家庭網關就是連接運營商網絡和用戶家庭網絡的樞紐。從物理形態來講，家庭網關下行必須提供多接口，連接不同的業務終端。而由于運營商接入網絡接口的多樣化，家庭網關需要能夠支持不同的上行接口，以跟進寬帶網絡的演進。

隨著三網融合的不斷推進和深入，基于電信網絡的家庭網關已經相對成熟，并且在實際網絡中得到大面積的使用。但是針對廣電網絡，基于廣電現有的同軸網，如何更好地利用廣電同軸網的資源，構建廣電系統的家庭網關，目前還沒有一個相對標準的、得到大范圍使用的家庭網關方案。

本文將結合廣電實際，探討構建廣電系統家庭網關的組成及面對的挑戰。

1 如何構建廣電系統的家庭網關

廣電網絡運營商需要新的家庭網關技術以便讓用戶能連接家里盡可能多的設備[1]。運營商可利用這些設備捆綁多種業務，并控制從基礎設施到終端設備等家庭網絡中所有設備上的業務。目前，電信運營商已經有成熟的家庭網關技術和家庭網關產品。廣電可在此基礎上，結合廣電系統自身的特性，衍生出新的家庭網關產品，產品包括光纖或同軸的接入，音視頻解碼，LAN，WiFi或PLC的家庭組網等功能，可以方便地與家庭的電視機、計算機等設備互聯，具體如圖1所示。這里從接入方式、音視頻解碼、家庭組網等幾方面分別闡述。

1.1 接入方式

在廣電系統，很多地方都進行了雙向改造，主要都是采用EPON+EoC的方式[2]，因此，家庭網關的接入方式主要有光纖接入和同軸電纜接入兩個選擇。

光纖接入主要面對FTTH的方式，家庭網關通過光纖直接與前端的OLT設備連接，能提供雙向100 Mbit/s的寬帶通信，實現語音、數據、視頻等業務的接入。光纖接入方式，將大大簡化網絡結構，便于系統維護，但是也將大大增強前端設備的投入成本。

同軸網是廣電系統與電信系統最大的區別。隨著EoC技術的不斷發展，目前CLT已經能支持300 Mbit/s的寬帶接入，基于C-DOCSIS標準的CMC設備能提供800 Mbit/s下行，200 Mbit/s上行的數據通信帶寬。相信在不遠的將來，通過同軸電纜，實現1 Mbit/s或更高的接入帶寬將成為現實。通過同軸電纜的接入，能很好地利用廣電資源，但是將增加網絡的復雜度，在管理、維護上給系統帶來不小的挑戰。

雖然采用光纖或同軸電纜的接入各有優缺點，對廣電資源的利用也不盡相同，但不管是采用光纖還是同軸電纜的接入方式，都能為用戶提供相關業務開展所需的足夠帶寬。

1.2 音視頻解碼

音視頻解碼，即機頂盒的相應功能，實現電視節目及VOD點播的信號解碼，為用戶提供高清/標清的視頻及音頻信號。

對光纖的接入方式，由于沒有電纜的接入，在音視頻解碼部分，只能選擇IPTV的解碼方式，通過互聯網協議來提供包括電視節目在內的多種數字媒體服務。如前述，同軸電纜的接入也可提供較高帶寬的數據通道，因此IPTV的解碼方式適用于光纖和同軸的接入方式。由于IPTV利用互聯網協議，因此IPTV有很靈活的交互特性，因為具有IP網的對稱交互先天優勢，其節目在網內，可采用廣播、組播、單播多種發布方式，可以非常靈活地實現電子選單、節目預約、實時快進、實時快退、終端賬號及計費管理、節目編排等多種功能。另外基于Internet網的其他內容業務也可以展開，如網絡游戲、電子郵件、電子理財等。

對目前的廣電系統來說，機頂盒多為DVB-C的制式。采用DVB-C的音視頻解碼方式，對廣電來說是更加成熟的技術，且可以更好地利用現有設備及系統資源，解放數據帶寬，大大降低系統成本，能為用戶提供更多的高清節目，且成熟的CA系統也為DVB-C的音視頻解碼方式提供了完善的管理功能。

兩者比較來說，IPTV能為用戶提供更多的交互功能和個性化的服務，但是占用數據帶寬；而DVB-C數字電視能為用戶提供更高質量的音視頻節目，由于采用廣播的方式，在個性化服務上有諸多不足。

1.3 VoIP

VoIP就是將模擬聲音信號（Voice）數字化，以數據封包的形式在IP數據網絡上做實時傳遞[3]。

目前成熟的VoIP方案多使用軟件DSP，通過硬件加速實現。通過VoIP技術，用戶可通過數據通道實現語音通信，而無須通過電話線來實現。

EPON系統的HGU和SFU設備均能實現VoIP技術。目前EoC設備由于傳輸時延的劣勢，對VoIP的支持均有限。不過基于DOCSIS技術的設備已能很好地實現VoIP的功能。

1.4 家庭組網方式

目前，比較通用的家庭組網方式為LAN和WiFi，由于本文的針對性，加入了基于同軸的家庭組網和基于電力線的家庭組網，下面分別做說明。

LAN的方式即通過五類線連接家庭的設備實現通信，在不同的家庭網關中均為標配，相對成熟，數據線性轉發，抗干擾能力強，穩定性好。缺點是布線復雜，且連接設備都需要相對固定，沒有移動性。

WiFi的方式，也是常說的無線方式。按傳輸標準分可以有IEEE 802.11a/b/g/n幾個標準。IEEE 802.11g在2.4 GHz頻段工作，所支持的速度最高達54 Mbit/s；IEEE 802.11n工作在2.4 GHz或5.0 GHz，最高速度600 Mbit/s，但IEEE 802.11g/n在世界上最為常用。使用WiFi的家庭組網方式，將為用戶提供更加靈活的服務，且在成本和功耗上也具有一定的優勢。目前的智能手機、Pad及筆記本式計算機都具有連接WiFi無線網絡的功能，缺點是信號強度受房間布局的影響較大。

基于同軸電纜的組網在國外應用較多，比如MoCA以及其他EoC技術，最初都是基于家庭組網的應用的，能為用戶提供足夠的帶寬，且在時延、QoS等指標上均有不錯的表現，缺點是需要重新布線，且移動性較差。

最后一種是PLC家庭組網方式，即電力線通信，通過家庭的電力線實現數據的傳輸。此技術在國外也得到較多的應用，能提供較好的吞吐量、時延和QoS指標，不受房間布局的影響，且通過家庭的電力交接箱實現不同用戶間的隔離。且無須重新布線，與LAN和同軸的方式相比，具有更多的優勢。

1.5 其他

在接入方式、音視頻解碼和家庭組網方式之外，家庭網關可以提供更多的功能。比如如何更好地利用多功能CPU的資源，實現節目的本地存儲，通過USB接口實現節目的本地播放等。甚至也可以利用平臺的可擴展性，通過軟件實現對家庭家電設備的控制，從而兼容物聯網的功能。

2 構建廣電系統的家庭網關面臨的挑戰

針對廣電家庭網關的接入方式、音視頻解碼、家庭組網等幾方面，提出了多種方案，但是廣電要如何選擇呢？面臨的挑戰是什么？

2.1 設備狀態的固定

相比于電信設備狀態的相對統一，廣電產品在各地使用的狀態卻呈現出多樣化。對電信來說，不管是E8-B，還是E8-C，設備狀態在各地都比較統一，差異很小，至少各個省電信的設備狀態是完全一致的。但是在廣電，以目前的廣電系統大量采購的機頂盒設備來說，各地采用的方案都不盡相同，即使采用同一個方案，各地設備也呈現出不同的個性化需求。

廣電顯然也意識到這個問題，目前各省對EPON，EoC的招標中，設備形態的統一和互聯互通的測試逐漸受到重視，并且廣電總局也針對EPON和EoC設備頒布了統一的MIB庫要求。

針對家庭網關的產品形態，廣電目前還沒有統一的意見，更多還需要在實際的使用中逐漸形成。

結合廣電的優勢，筆者認為廣電的家庭網關可采用EPON或EoC的接入方式，融合基于DVB-C的音視頻解碼功能，增加VoIP功能，采用PLC或LAN的方式進行家庭組網，能很好地利用廣電的同軸資源，為用戶提供更多的高清視頻節目，同時也降低對數據帶寬的需求。

另外，高集成度、接口簡化的家庭網關設備能大大降低家庭布線的復雜度，提高設備的可用性。

2.2 設備的穩定性

廣電系統的家庭網關，相對電信來說，產品的復雜度更高，集成度也更高。因此，設備的穩定性和可靠性是一個不能忽略的問題。

隨著更多家庭網關的使用，空中將充斥更多的WiFi無線信號。因此，必須通過設計，不斷增強WiFi的抗干擾能力，提高WiFi模塊的工作穩定性。

同樣在設備內部，由于功能眾多，如何保障各部分獨立工作，不受影響，特別是射頻部分的相互影響，對設計來說也是一個很大的挑戰。只有優化設計，提高不同信號間的隔離度，降低不同信號的串擾，減少相互間的影響，才能保證不同信號間的穩定性和獨立性。

2.3 可管理性

電信的E8-B和E8-C家庭網關都是通過TR-069協議對設備進行業務配置和管理的，主要完成4方面的工作：用戶設備自動配置和動態的業務配置；對用戶設備的軟件、固件的管理；對用戶設備的狀態和性能進行監測以及對通信故障的診斷。

但是對廣電系統來說，目前的設備管理更多的還是通過設備廠商提供的NMS軟件進行設備管理、業務管理、性能檢測及故障診斷。但是各個廠家的NMS軟件參差不齊，這勢必造成廣電系統的家庭網關設備管理的混亂，管理平臺無法統一，也大大降低了管理平臺的管理效率，增加了管理的復雜度。

因此，廣電系統有必要統一管理平臺，并制定一套完整的管理方案。或者借鑒成熟的TR-069協議，實現對家庭網關的配置和管理。目前廣電的整合為統一提供了可能。

2.4 可制造性和成本

在提高家庭網關的性能、可靠性和可管理性的同時，產品設計師還必須確保他們所設計的終端產品具有很好的可制造性以及較低的成本。相對于電信的家庭網關，由于技術的成熟度和廣泛的應用不足，廣電系統的家庭網關在可制造性和成本上還有一段路要走。

提高家庭網關可制造性的一個方法，是通過把更多功能集成到單機，甚至是單芯片的解決方案中來優化設計。可以大大簡化設計，提高設備的可靠性，雖然在一定程度上會增加軟件的設計難度，但這可以通過逐漸優化并升級實現。如今的家庭網關設計采用單主板架構或者雙板子卡架構，甚至是各功能模塊采用一個子板的架構，選擇的架構不同，成本和可制造性就會不一樣。最后，家庭網關的相關軟件能自動升級功能，以應對業務的變化和Bug的修復。

另一個硬件方面的挑戰，是除了選擇集成功能多的芯片，外圍選用通用的器件，以盡量降低BOM成本。

2.5 易于使用

家庭網關使用的軟件應該有助于提高產品的即插即用性能，盡可能地降低產品的使用難度，家庭網關的設置和配置要做到簡單化甚至自動化。對家庭網關來說，安全和相關業務功能設置簡單，并具有幫助用戶排除用戶端故障及自動升級的能力都非常關鍵。

廣電運營商不僅希望能用家庭網關來管理提供給用戶的相關語音、視頻、數據等業務，還希望對業務進行端到端的可視化監控。因此，具有自動發現用戶端設備問題的診斷和故障排除的設備將更受運營商的青睞。盡管目前家庭網管軟件所要解決的問題有限，但很快設備軟件就會被要求支持新興業務，比如遠程家庭監控、遠程家電控制、物聯網的支持等。因此，在目前的家庭網關設備中需要預設相應的硬件接口，為將來軟件的實現提供平臺。

由于易于使用是如此重要的一個因素，所以設計工程師應該在網關里集成一套靈活的、可升級的模塊化軟件，該軟件具有豐富的API，以應對不同的家庭網關的需求。因此，家庭網關不僅需要支持實時和嵌入式操作系統，還要集成與運用多種技術，并使最終用戶能構建并使用客戶應用程序。

另一個軟件方面的挑戰，是在電路板上的每個數據接口提供多級別QoS支持的同時，還要維持系統的性能。網關的PON、EoC、以太網、WLAN和PLC接口都有各自的限制和QoS要求，要將這些QoS在一個CPU芯片上進行處理是有挑戰的，設計工程師必須集成并優化每種級別的QoS，并使之運行在單個CPU里的單個操作系統上，多個CPU芯片間的相互協調和同步也是一個不小的挑戰。

2.6 對未來業務的支持

目前的家庭網關，已經不僅僅是只提供數據業務功能。文章討論的廣電系統的家庭網關，將為用戶提供數據接入、語音、視頻等業務，但這肯定不是家庭網關的最后形態。廣電運營商將希望使用具有更加完備功能的網關，比如增加智能家居、物聯網等相關功能，或者如何更好地讓家庭網關與手機、Pad等手持式設備實現更好的交互等。在滿足更多業務功能需求的同時，家庭網關還必須支持更高的數據傳輸速率，為用戶提供更高的QoS保障。

毫無疑問，家庭網關在網絡中的地位日益重要，它將成為服務提供商與用戶之間最重要的接口。因此，這種設備必須能支持所有類型的新業務，能在任何無線網絡中工作并可提供端到端QoS。預計在不久的將來，儲存功能也將成為家庭網關的另一個重要需求。

盡管廣電系統的家庭網關面臨許多挑戰，但它們為服務提供商改善用戶服務和增加創收提供了重要機遇，因此克服這些挑戰將給服務提供商及其用戶帶來豐厚回報。

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[1]趙志峰，張衛.面向NGB的數字家庭服務平臺[J].電視技術，2012，36（16）：25-28.

[2]徐力恒，李建華.融合EPON與DOCSIS的EoC技術與雙向網改方案[J].電視技術，2011，35（12）：4-6.

[3]毛澤杰，程建，肖忠.基于機頂盒的VoIP設計與實現[J].電聲技術，2011，35（12）：50-53.