構建智慧家庭網絡的多終端互聯技術研究與應用探討

韓建亭，萬 象

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

近年來，隨著三網融合、光纖寬帶覆蓋、3G/LTE、智能機頂盒與互聯網電視、智能手機終端等技術和產品的快速發展，家庭網絡的智能化具備了前所未有的基礎和契機。運營商和產業鏈日益重視智慧家庭的市場，智慧家庭強調以信息化應用引領，圍繞家庭網絡寬帶接入和家庭組網、終端智能化，實現終端的互動與應用分享，提供豐富的智慧家庭應用與服務。主要聚焦的熱點應用包括影音娛樂、民生應用、智能家居等，這些應用的前提是家庭網絡的組建和多終端的互聯。構建家庭內部多終端的互聯，是實現家庭智慧化的核心技術基礎。

2 家庭網絡技術體系

構建家庭網絡的終端包括3個層次:

·以電腦、智能機頂盒、智能電視、移動終端、平板電腦等為代表的IP類應用終端；

·以家庭網關為核心的聯網終端；

·家居自動化、安防監控、能源管理、休閑娛樂、健康醫療等傳感控制終端。

近10年來，伴隨家庭網絡的發展，誕生了諸多的終端組網和應用互聯的技術和產業聯盟，這些技術交織復雜，隸屬于不同的產業鏈和聯盟組織，缺乏統一的組織和規劃。將智慧家庭終端組網與互聯技術進行了分層歸納總結，如圖1所示，技術分為3類，即應用互聯技術、IP聯網技術、傳感聯網控制技術。

（1）應用互聯技術

應用互聯技術是指實現了IP聯網后的終端之間進行網絡協議識別、媒體傳輸、設備發現控制管理、應用分享等的互聯技術。應用互聯技術是實現智慧家庭多終端互動與應用分享的核心技術。國內外諸多標準組織都提出了相關的標準和解決方案。閃聯是一個成立于 2003年的國內聯盟，由聯想、TCL、康佳、海信、長城等多家家電廠商共同發起組織，旨在實現信息設備、通信設備、家電設備的智能互聯，現已小規模應用在影音互動、辦公自動化等領域。同年，索尼、英特爾、微軟共同發起成立了 DLNA（Digital Living Network Alliance，數字生活網絡聯盟），該組織從網絡互連、網絡協議、媒體傳輸、設備發現控制管理和媒體格式5個方面進行了互聯互通的規定，使得數字媒體和內容服務的無限制共享成為可能，主要應用在影音互動（媒體共享、多屏互動）等領域。2012年，Wi-Fi聯盟推出了一個點對點無線屏幕鏡像標準 Miracast，可將PC、平板電腦、智能手機、電視等設備上的音視頻實時共享到其他設備上。該標準主要應用于影音互動（鏡像投影）中。同年，高通創新中心開發了一套開源軟件平臺AllJoyn，用以實現與底層傳輸技術無關的設備發現、配對、消息路由、安全、定位與點對點信息傳輸等功能，計劃主要應用在影音互動、家居自動化等領域。

（2）IP 聯網技術

IP聯網技術是指在IP類終端之間實現終端IP層次的通聯的聯網技術。依據傳輸介質的不同可將IP聯網相關標準分為有線組網標準、無線組網標準。家庭組網有線方式可選用的傳輸介質包括以太網線、同軸線、電力線、電話線等。以太網基于IEEE 802.3協議，其傳輸信道穩定，可優先用于高清IPTV、視頻監控等高帶寬業務的組網部署；同軸線傳輸以DOCSIS和MoCA兩個標準為代表，被北美運營商廣泛選用，國內家庭基于同軸的接入點數量有限，要實現家庭全覆蓋有一定困難；電力插座遍布于家庭各個房間，接入點選擇比較靈活，基于電力線的聯網標準逐漸成為解決家庭組網問題的補充技術。目前較成熟的電力線聯網標準有HomePlug以及可以支持電力線、電話線、同軸線3種介質傳輸的G.hn技術。HomePlug為產業聯盟標準，后被IEEE采用成為IEEE P1901，G.hn為ITU系列標準，是G.9960、G.9961等的統稱。家庭組網無線方式視承載業務不同有多種可選技術標準。IEEE 802.11（Wi-Fi）適合向家庭內部提供高帶寬無線組網，是各種智能移動終端（手機、Pad等）接入家庭網絡的首選。目前主推的Wi-Fi標準有IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac，前者主要用于無線上網，后者對于無線高清視頻傳輸更有優勢。

（3）傳感聯網控制技術

圖1 家庭組網及互聯技術體系

傳感聯網控制技術是指在家庭網絡中智能控制終端與多個末梢應用終端之間的聯網及控制技術，實現對末梢應用終端的數據采集、控制管理等傳感應用。目前，主流的傳感聯網控制技術包括紅外、KNX總線、RF（射頻）、ZigBee、Z-Wave等。紅外由于方向性要求較高、穿透性差且傳輸距離較短，應用場景受限，主要在家電遙控、紅外探測中普遍采用。KNX總線協議是當前唯一的全球性住宅和樓宇控制標準，廣泛應用于智能樓宇和家居自動化等領域，但在實際應用中需要穿墻布線，主要應用在新樓盤的前裝市場。因此，RF、ZigBee、Z-Wave才是值得運營商關注的傳感聯網控制技術。ZigBee聯盟成立于2001年，全球有400多個成員（中國區約 40 個），多家廠商（TI、FreeScale、Ember、Marvell）提供芯片。目前ZigBee主要應用于工業控制（如能源行業），并逐漸在智能家居領域中占領一定市場。Z-Wave協議聯盟成立于2005年，發展至今擁有250多個成員（國內約20個），其芯片由Sigma Designs獨家提供。該技術設計之初是為了應用于家庭領域，目前在家居自動化、安防監控、能源管理等均有使用。RF（433/315 MHz）由于其芯片價格低廉，成為國內應用最廣泛的傳感聯網控制技術，主要應用于安防監控、家居自動化等領域，被中國智能家居產業聯盟和全國安全防范報警系統標準化技術委員會共同看好。

智慧家庭組網與互聯涉及的技術非常繁雜，為了有效實現智慧家庭應用，需對家庭聯網及互聯技術進行針對性的深入研究，分析和評測這些技術的特點、產業現狀，在此基礎上，從運營商的視角，提出針對相關產品的發展思路和建議。

3 應用互聯技術

隨著智能終端的普及，應用互聯技術層出不窮，應重點關注和借鑒的應用互聯技術包括 DLNA、Miracast和AllJoyn等。

（1）DLNA

DLNA廣泛基于現有成熟的標準，核心特色是實現設備自動發現和媒體內容共享。DLNA定位于設備發現與內容分享，為家庭內部的共享和增加新的數字媒體和數字內容服務提供一個無縫的環境，是一個基于開放和已確立的行業標準的互操作性平臺，制造商可以用這個平臺在有線和無線網絡中支持媒體共享。從圖2所示DLNA架構可以看出，DLNA并不開發具體的通信技術和協議，而是選用應用廣泛的技術和協議，以實現不同領域設備的互聯互通和無縫協同。

圖2 DLNA體系架構

（2）Miracast

Miracast技術的目標是實現視頻分享的標準化，其核心特色是屏幕鏡像。從圖3所示的Miracast架構可以看出，Miracast基于Wi-Fi Direct方式實現終端互聯（無需 AP參與），基于WPA2確保傳輸數據安全，基于 WMM（Wi-Fi multimedia）提供音視頻數據優先級，確保用戶體驗，通過WMM省電模式最小化連接時間，降低能耗，延長工作壽命；此外，在做屏幕鏡像時，源端需對要呈現的音視頻進行編碼，顯示端需對音視頻進行解碼。

圖3 Miracast體系架構

（3）AllJoyn

AllJoyn是開放式軟件框架，其核心特色是實現與底層傳輸技術無關的設備發現、配對、消息路由、操控和安全等。它是一項近距離P2P通信技術，是一個開源框架，利用現有的無線技術來進行設備同步。在圖4所示AllJoyn架構中，內核提供設備發現、安全、連接管理、網絡管理等基本功能；瘦客戶端提供簡化的AllJoyn協議處理，主要運行在硬件配置和性能比較低的傳感設備上；核心服務層提供跨平臺的控制、告警、語音等服務；應用層是指基于API開發的AllJoyn應用，具有跨平臺、與設備無關等特點，支持多種操作系統和編程語言。

圖4 AllJoyn體系架構

針對這3種技術方式，通過表1進行了對比分析。DLNA是適合智慧家庭內部實現多終端設備發現與媒體共享的典型技術方式。由于AllJoyn除媒體共享外，還可延伸到智能家居應用，是未來的技術發展方向。

DLNA普及程度最高，產品目前已覆蓋電視、DVD/藍光播放機、機頂盒、音響、手機、PC、平板電腦、網絡存儲、數碼相框、游戲機等多個領域。網絡上有多種基于DLNA的應用，包括基于iOS、Android和Windows等操作系統的多種應用，其中較為成熟的DLNA應用包括基于iOS的AirPlay、Air Video和 iMediashare，基于 Android的騰訊視頻、Skifta、SoftMedia Player Trial和 Twonky。智能電視逐步都將支持DLNA應用，包括小米、樂視的智能終端，智慧家庭定制的智能機頂盒等。Miracast由Wi-Fi聯盟認證支持，該技術與認證項目由Wi-Fi聯盟中的移動與消費性電子設備制造商及芯片廠商共同制定。由于這一技術比較新，支持這一技術的設備并不多，很多智能終端的Miracast正在開發中，搭載Android 4.2系統的Android設備也會支持這一新功能。行業分析者預計Miracast認證設備的年產量在未來4年將超過10億臺。AllJoyn僅Qualcomm支持，產業鏈接受度有待觀察。

隨著智能終端的發展，多終端的互動和內容分享在家庭內將會越來越普及，運營商應該以智能機頂盒、家庭網關、智能手機為核心，構建智慧家庭的多屏互動、云應用分享、共享資源等智能應用。多屏互動產品作為智慧家庭應用的填充，能夠提升用戶的感知體驗，在產品管理模式上應該采用移動互聯網化的管理模式，包括下載安裝、升級、服務等。

4 IP聯網技術

技術層面解決家庭網絡的多終端組網問題，可從無線、有線兩方面著手，在此，重點分析無線組網技術IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac和有線組網的電力線聯網技術，即HomePlug和 G.hn。

（1）無線組網技術

相比IEEE 802.11n，IEEE 802.11ac采用了更高效的數據處理、調制、頻寬、MIMO、波束成形等技術，使其物理層數據傳輸能力顯著提高。從表2可以看出，IEEE 802.11ac在技術特性上明顯優于IEEE 802.11n，但IEEE 802.11ac工作在5 GHz頻段，重點解決的是無線高清視頻傳輸，而IEEE 801.11n可在2.4 GHz、5 GHz兩個頻段工作，更多時候是為解決無線上網需求。兩者應用場景不同，在短期內，它們既不是競爭性技術，也不是替代性技術。

IEEE 802.11n技術已經在家用路由器、AP以及定制的家庭網關中得到普及；IEEE 802.11ac尚處于草案階段，各廠商將陸續推出產品。

（2）電力線聯網技術

從純技術角度分析，G.hn在跨介質傳輸、理論傳輸速率、QoS保障及抗鄰居干擾等方面都優于HomePlug。從表3可以看出，ITU G.9960（G.hn）作為新一代家庭聯網標準，采用了先進的編碼、調制、鄰居網絡共存技術，物理層傳輸速率可達1 Gbit/s，應用層速率可達數百兆。而HomePlug物理層速率最高只有500 Mbit/s。HomePlug與G.hn由不同標準組織主推，兩者不兼容不互通，為競爭性技術。

表1 DLNA、Miracast和AllJoyn技術點的比較

表2 IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac的技術點比較

表3 HomePlug和G.hn的技術點比較

（3）實驗室測試

由于IEEE 802.11ac芯片還在不斷成熟和完善中，還未在實驗室對其進行測評。

對HomePlug的產品及G.hn的樣機分別進行實驗室和用戶實際環境的測試，測試結果表明，HomePlug目前的應用層速率可達200 Mbit/s；G.hn芯片在不斷成熟和完善中，在分組大和衰減小的情況下，物理層速率已超過700 Mbit/s，其應用層速率在420～450 Mbit/s，均可有效承載高清ITV業務。

跨多種傳輸介質實現家庭組網正逐步成為國際標準發展新方向。目前正在起草討論的IEEE P1905代表了跨多介質組網國際標準的最新進展。P1905試圖通過定義統一的標準接口層，在支持以太網和電力線組網的基礎上還增加了對Wi-Fi無線組網的支持，使跨Wi-Fi、電力線和以太網的數據傳輸更加順暢。

綜合考慮技術和產業鏈可持續發展兩方面因素，建議在IP聯網技術領域方面，在智慧家庭業務部署中，運營商應選擇有線和無線相結合的家庭組網方式，無線以IEEE 802.11n為基本方式，逐步拓展IEEE 802.11ac承載高清視頻，有線組網方面以G.hn電力線聯網進行補充。

5 傳感聯網控制技術

（1）互操作性

ZigBee和Z-Wave設備具有良好的互操作性，RF產品的互操作性最差。運營商關注的主流傳感聯網控制技術有RF、ZigBee、Z-Wave，其協議體系如圖 5 所示。

ZigBee與Z-Wave在標準協議棧方面比較接近，均包括物理層、MAC層、數據鏈路層、網絡層及應用層。其中，ZigBee標準在IEEE 802.15.4基礎上，重點定義了數據鏈路層、網絡層及應用層配置文件。在ZigBee早期版本標準中，ZigBee應用層配置文件的開放性及芯片廠商的多樣性導致不同芯片廠商的同類終端的互通性較差。但隨著ZigBee配置文件標準的推出，對后續應用層配置文件中的自定義項進行了規范，使自定義項在屬性描述及命令交互等方面更趨于標準化，提升了ZigBee互通性。而Z-Wave標準基于ITU G.9959，重點對網絡層及應用層進行規范，并在網絡層明確了向上API，進而降低了應用開發廠商開發復雜性。Z-Wave標準在應用層明確規范了設備描述及命令集，保證了不同設備提供商的產品在應用層能實現較好的互通。而RF技術除了在物理層和ZigBee/Z-Wave一樣都是采用射頻媒介傳輸外，其他層都是由廠商自定義，不同廠商的產品互通性極差。此外，ZigBee和Z-Wave聯盟通過認證來確保設備互操作性，而RF沒有專門的聯盟組織推進。

圖5 主流傳感聯網控制技術的協議體系

（2）抗干擾與覆蓋性能

RF抗干擾能力最差，穿透性和覆蓋范圍方面表現最優，ZigBee抗干擾能力介于RF與Z-Wave之間，穿透性和覆蓋范圍方面表現最差；Z-Wave抗干擾能力最強，穿透性和覆蓋范圍方面表現介于RF和ZigBee之間。

國內支持RF的智能家居產品主要使用的工作頻段是315/433 MHz。由于頻段被廣泛用于車輛監控、遙控、遙測、小型無線網絡、身份識別、非接觸RF，加上缺少抗沖突機制，頻間及頻內干擾嚴重，因此，RF的抗干擾能力最差。但其使用的是低頻，穿透性最強，無中繼傳輸距離最長。

ZigBee在國內使用的工作頻段是2.4 GHz，在家庭網絡中Wi-Fi、藍牙都使用此頻段，對其會產生一定程度的干擾。由于使用的是高頻，ZigBee的穿透性最差，無中繼傳輸距離最短。

Z-Wave在國內使用的工作頻段是868.42 MHz，頻段附近不存在對其產生影響的信號，頻率介于RF和ZigBee中間，因此，Z-Wave的穿透性和無中繼傳輸距離介于RF和ZigBee之間。

（3）功耗

Z-Wave從設計之初，就是針對智能家居應用提出的，其功耗較ZigBee更低；ZigBee數據傳輸速率最高可達 250 kbit/s，而 Z-Wave通常為 9.6 kbit/s，但足以用于傳輸智能家居的傳感控制指令。ZigBee和Z-Wave功耗雖然都是豪瓦級，但Z-Wave的發射功率比ZigBee低很多。

（4）實驗室測試

通過在實驗室對ZigBee和Z-Wave開發板的實際測試，也進一步驗證了上述理論分析結論，具體情況見表4。

從技術理論分析及實測效果來看，Z-Wave是智能家居業務的最優傳感控制技術選擇。

迄今為止，將IP引入傳感通信網絡一直被認為是不現實的，因為IP對內存和帶寬要求較高。基于IEEE 802.15.4實現 IPv6通信的 IETF 6LoWPAN（lowrate wireless personal area network）草案標準的發布有望改變這一局面。6LoWPAN取得的突破是設計一種非常緊湊、高效的IP機制，即將IPv6報文壓縮并適配在IEEE 802.15.4上，不僅消除了以前造成各種專門標準和專有協議的因素，提升了設備的互操作性，同時又保持了專門標準和專有協議的低功耗、自組網、安全性等優點。ZigBee和6LoWPAN在底層都采用IEEE 802.15.4，ZigBee新一代智能電網標準中SEP2.0已經采用6LoWPAN技術，隨著美國智能電網的部署，6LoWPAN將成為事實標準。ZigBee未來可能全面升級為6LoWPAN。

低功耗Wi-Fi、基于電力載波的G.hnem/HomePlug green PHY技術在傳感網控制領域也逐步得到應用。這些基于IP的傳感聯網控制技術盡管MAC/PHY層標準不同，但在可統一的IP等協議層之上可實現互通。因芯片尚待開發和完善，相關智能家居應用還未成熟。

基于IP的傳感聯網控制技術是最前沿的技術，擁有良好的互通性，但產業還需要過程。

傳感聯網控制技術廣泛用于當前智能家居產業，不同技術完全不互通。運營商在家庭網絡的傳感互聯技術方面，應基于產業現狀，依托非IP傳感聯網控制技術，近期以RF、Z-Wave、ZigBee為主。產品服務模式可采用開放平臺架構，引入第三方提供服務，構建智能家居應用的應用商店，提供靈活、輕量級且可管可控的業務加載方式（用戶自選業務），營造開放共贏的產業生態環境。

6 結束語

構建家庭網絡的3類技術和終端，在各自不同領域將會得到快速發展并在產品化方面得到普及。運營商應適時在家庭網絡的終端開發、產品服務方面及時跟進和引導技術的發展，選取適合的技術以構建開放的智慧家庭平臺與開發環境、構建家庭網絡內部多IP終端的互聯方案和服務、開發家庭網絡多智能終端的互聯應用等。

可以預見未來兩三年內，用戶家庭內部對終端互聯的需求和依賴將會更加凸顯，家庭內部的多終端互聯、多屏互動、內容分享、融合通信等將會得到普及；依賴基于傳感控制技術的智能家居應用將會得到大眾的認同，依托于不同技術的產品也會更加豐富。這些產品帶來的應用將會體現智慧家庭的內涵，是運營商應該重點關注和跟進的領域。

1 敖志剛.智能家庭網絡及其控制技術.北京:人民郵電出版社，2011

2 Recommendation ITU-T G.9960.Unified High-Speed Wire-Line Based Home Networking Transceivers-System Architecture and Physical Layer Specification,2011

3 IEEE Standard P1901.IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks:Medium Access Control and Physical Layer Specifications,2010

4 IEEE Standard 1905.1.IEEE Standard for a Convergent Digital Home Network for Heterogeneous Technologies,2013