家庭互聯網中的互聯技術

中國信息通信研究院 北京 100191

引言

隨著電子信息技術和通信技術的發展，家庭中的信息設備種類和數量大大的增加，而隨著3G、4G等移動網絡業務的普及，手機、平板電腦等個人通信終端也成為家庭信息設備的重要成員，因此如何將種類繁多、形態各異的家庭信息設備進行互聯，組成一個方便使用、靈活安全的家庭網絡成為一個值得關注的問題。

傳統上家庭網絡中的設備可以劃分成三類功能中心，分別聚焦于家庭內部互聯、音視頻媒體共享和安防控制等智能家居應用。網絡中心，一般是以接入網關為代表的通信控制設備；娛樂中心，以機頂盒、智能電視等為代表的媒體、娛樂存儲和互動設備；控制中心，一般用于低速IP控制業務和非IP設備的控制和代理。

當然，在實際的組網和設備實現中，這些功能中心可能分布在不同的設備中，也可以部分集成在一個設備中。

1 家庭互聯網的信息傳輸需求

家庭網絡雖然覆蓋面積不大，但其中涵蓋的業務種類十分的豐富多彩，各種業務的傳輸速率需求各異，下面列出了幾種主要業務的傳輸速率要求。

1)互聯網訪問：互聯網訪問的最高速率受限于運營商提供的寬帶接入業務的速率，隨著各運營商“提速降費”工作的推進，50Mbit/s和100Mbit/s接入將成為寬帶接入業務的主流，部分地區已經開始小規模試點200M到1000M的寬帶業務。雖然大多數情況下實際的單一終端互聯網訪問體驗速率不可能達到接入速率，但是當家庭內部多終端共同使用時，達到50M或100M接入速率的上限是可能的。

2)家庭存儲共享：家用數碼相機、數碼攝像機、電子文檔、數字音視頻產品等為家庭成員提供了大量的數字化信息。過去，這些信息分散的存儲在不同的存儲卡、光盤、電腦硬盤上面，整理和備份困難，且相互之間難以分享。通過網絡存儲(NAS)設備可以解決大量信息保存、整理和共享的問題。普通家用NAS的讀寫速率一般是50MB/s～120MB/s，轉換成網絡速率的需求大概在400Mbit/s到960Mbit/s。

3)家庭音視頻媒體共享：家庭組網為電腦、電視和手機的三屏融合提供了可能，家庭成員可以在家中任何屏幕上觀看家庭中存儲的影音節目。不同的視頻等級和不同的音視頻壓縮算法對影音流速率的要求不同，目前常用的1080p視頻流大概需要20Mbit/s左右的碼流速率，而即將到來的4K超高清視頻大概需要30～40Mit/s的碼流傳輸速率。

4)智能家居和能源控制：智能家居控制可以遠程或定時啟動和設置某些家用電器，為家庭提供舒適的家居環境；也包括通過家庭能源監控，重點能耗設備管理，能源計量設備管理等多種手段，使消費者對能源消耗有準確的掌握，對家庭的能源消費進行規劃，達到家庭節能的目的。該類業務設備一般更重視低功耗，采用“休眠-通信-休眠”模式工作，因此帶寬需求較低。

5)家庭安防和社區服務：家庭安防是指利用傳感技術，通過各種傳感器、門窗磁、讀卡器、門禁控制器以及其它安防監測設備為住宅提供入侵報警、防火、防意外等安防功能；社區服務包括了便民服務、社區服務、物業管理服務等。這類業務的使用頻度也較低，通信需求不大，帶寬需求較低。

總的來說，家庭中的各類業務中，家庭存儲共享所需帶寬最高，各類智慧家庭、安防等控制類業務所需帶寬最低，如表1所示。

表1 家庭互聯網業務傳輸帶寬需求

從表1可以看出，對于家庭聯網技術來說，至少要保證100Mbit/s的信息傳輸速率才能與目前的基本家庭業務需求相匹配，如果在家庭內部追求較好的業務體驗，則需要1000Mbit/s的信息傳輸速率。

2 家庭互聯網的信息傳輸架構

ITU-T在建議G.9970中給出了通用的家庭網絡傳送層架構[1]，如圖1所示。整個家庭網絡劃分為使用IP協議的“IP家庭網絡”和使用其他專有技術或協議的“非IP家庭網絡”。圖1中位于接入網和家庭網絡之間的“接入網關”特指“接入網關的傳送層功能”，而不包含網關設備中集成的業務功能。IP家庭網絡直接與接入網關相連，完成與外界的信息互通和內部多個非IP家庭網絡域的互聯，是家庭網絡的核心部分。非IP家庭網絡可以包括各種非IP的音視頻傳輸接口、安防控制信號接口以及傳統的電話線接口等。

圖1 家庭聯網的一般架構（G.9970）

3 家庭聯網技術

家庭中的物理組網與其他網絡不同，除了極少數的發燒友，絕大多數家庭沒有專門為家庭中的設備聯網敷設專用的通信線路。因此，家庭網絡的傳輸要么采用無線局域網技術，繞開線路問題，要么利用電力線或以太網線等已有線路組建家庭網絡，更多的情況是需要因地制宜，采用有線、無線多種網絡的橋接，才能既滿足每個家庭中每個房間的網絡覆蓋，又可以保證相當的速率。

3.1 無線局域網(WLAN)技術

家庭無線局域網技術主要使用基于IEEE 802.11[2]系列規范和Wi-Fi聯盟認證標準的無線局域網技術。IEEE 802.11技術最早于上世紀90年代末標準化，十幾年來陸續發展出來802.11a/b/g/n/ac等多種后續標準(如表2所示)，速率不斷提升，特別是可以和手機、平板電腦等移動設備方便連接，因此在家庭組網中獲得了廣泛的應用。

表2 WLAN技術標準對比

得益于全球龐大的WLAN用戶市場，2009年發布的802.11n技術和2013年發布的802.11ac技術目前已經獲得了廣泛的應用。新上市的無線路由器和筆記本已經普及了對802.11ac的支持。

802.11 ac是802.11n技術的演進，從三個方面對802.11n技術進行了增強：一是使用信道帶寬，增加了80MHz和160MHz信道帶寬的選項。信道帶寬的增加對于傳輸速率增長最為顯著，相比于802.11n最大40MHz帶寬，802.11ac使用80MHz帶寬可以獲得2倍以上的速率；二是將802.11n最大64QAM調制增加為最大256QAM調制；三是支持更多的MIMO空間流。802.11ac是使無線局域網速度方面可以與千兆以太網相匹配的技術，必將成為無線局域網應用的主流技術。

無線局域網工作的2.4G和5G都是非授權頻段，信號易受到干擾，因此，雖然物理層標稱速率較高，但實際使用的數據吞吐量與之相差較遠。另外一個實際使用中的影響是穿墻能力不足，特別是國內常見的鋼筋混凝土承重墻對信號衰減較大，需要合理選取無線路由器在家中的放置位置。

3.2 電力線通信(PLC)技術

電力線通信技術是利用家庭中隨處可見的電力線作為通信信號的傳輸媒質，進行組網通信的技術。目前國際上兩種主流的室內高速電力線技術標準分別是HomePlug系列和ITU G.9960系列。目前市場上的“電力貓”產品以HomePlug技術方案的居多。

電力線信道的特點是阻抗不穩定，且噪聲來源比較豐富。因此電力線通信一般采用抗噪聲能力強的OFDM調制技術，并配合強力的糾錯編碼和重傳機制，以保障信息的可靠傳輸。

HomePlug系列標準也經歷了幾代的變遷。最早的HomePlug標準是2001年發布的HomePlug-1.0規范，峰值速率僅為14Mbit/s。2005年，HomePlug聯盟發布了HomePlug AV標準，將物理層速率提升到200Mbit/s，對應MAC層速率大約是80Mbit/s。2012年HomePlug聯盟發布了Homeplug AV2規范，并以此為基礎發布為IEEE P1901[3]，不但物理層調制速率增至600M，并且通過支持MIMO技術，使得電力線通信速率跨入千兆大關。

作為與HomePlug系列規范的對應，ITU-T制定的G.9960系列規范[4]也支持類似的物理層速率、MIMO技術等。

受制于電力線通信技術市場標準的分裂，產品成本無法有效的降低。與WLAN技術相比，電力線聯網產品市場并未獲得預期的成功。但作為一種無需額外布線的有線連接技術，“電力貓”可以作為有線中繼設備連接兩個或多個無線接入點，實現家庭內方便的無線覆蓋布置，彌補無線局域網穿墻能力不足的缺點。

3.3 以太網技術

無論是無線局域網技術，還是電力線通信技術，雖然峰值通信速率都可達到數百兆甚至千兆量級，但其數據傳輸質量都受限于不可控的噪聲干擾等因素，因此長時間傳輸實時性和誤碼率要求高的業務(比如視頻流)時，經常遇到由于丟包引起的“馬賽克”等業務質量下降問題。

而傳統的基于網線的以太網技術，不論是100M以太網還是1000M以太網，在穩定性方面具有不可比擬的優勢，適合作為異構的家庭互聯組網中的核心網絡。

3.4 非IP聯網技術

IP技術雖然支撐了世界范圍內的互聯網，也組成家庭網絡的核心部分，但是面都家庭中多種多樣的聯網需求還是存在不足。在家庭網絡中，IP聯網技術主要在兩個方面無法替代專有的聯網技術。

1)音視頻接口：音視頻接口主要用來連接視頻輸出設備、顯示設備、功放機等，目前應用比較廣的是HDMI接口。隨著視頻分辨率的不斷提高，對于音視頻接口的傳輸能力要求也相應提高。例如，支持4K視頻傳輸的HDMI 2.0規范其信號帶寬高達18Gbit/s，并且需要滿足音視頻接口嚴格的信號抖動指標，多通道并行傳輸等功能。除了HDMI外，業界還制定了Display Port、MHL等音視頻連接標準，但沒有HDMI應用廣泛。

2)傳感器網絡：家庭內的能源計量、自動控制和安防應用需要各種傳感器組成網絡。傳感器網絡的通信速率很低，但傳感設備要求盡量減少耗電需求，大部分時間都處在休眠的狀態。前面提到到WLAN、PLC等通信技術較為“重量級”，無法滿足傳感設備對功耗的要求。目前比較常見傳感網絡使用ZigBee協議進行通信，ZigBee協議是基于IEEE 802.15.4[5]的無線傳感網協議。ZigBee協議比較簡單，發射功率只有1mW，采用“休眠/喚醒”模式，因此可以做到極低功耗。另外ZigBee協議支持自組網認證和加密等功能。

4 家庭網絡IP層技術

由于IPv4地址的相對稀缺，當通過PPP協議接入互聯網時，運營商一般給每個家庭僅提供1個外部IP地址，而家庭內部的多個IP終端均使用內部私有地址。家庭網絡IP域內的地址分配和管理一般采用DHCP方式。DHCP不但可以配置IP終端的地址、DNS服務器地址等信息，還可以根據對不同的IP終端類型的判斷，采用不同的地址分配策略。

當家庭內部缺乏DHCP分配功能時，IP終端可以采用自動私有IP地址(APIAP)技術無狀態的為自己選擇接口IP，這時，家庭網絡IP域設備仍然可以完成內部IP網絡的組網，但是由于缺乏網關地址等關鍵信息，只能進行內部連接，無法進行外部訪問。

家庭網絡通過接入網關作為連接外部世界的總出口。對于橋接模式的接入網關，自身沒有IP地址管理功能，需要家庭內部的路由器設備終接對公網的IP地址，并在家庭網絡內部分配和管理IP地址，完成內部地址到公網地址的翻譯。在這種方式下，接入網關的多個端口相互隔離，分別接入運營商不同的業務網絡，不同端口下掛的家庭IP終端往往不能直接互通。因此造成家庭終端在IP層的割裂，違反了家庭聯網的初衷。

整個家庭網絡的IP域應該組成一個整體，家庭內所有IP終端都應可以自由的交換數據。為達到這一目標，接入網關應設置為路由模式，統一管理家庭網絡內IP域所有設備的地址分配，并啟用地址翻譯功能進行與公網IP地址的互通。

5 結語

綜上所述，家庭網絡雖然體量很小，但是其中包含的業務種類繁多，對傳輸速率的要求差別巨大，而且沒有一種家庭聯網技術可以方便的適用于所有的情況，通常的家庭聯網都是采用有線網絡、無線網絡和非IP網絡混合互聯的異構組網形式。例如，802.11ac速率很高，可以在視頻播放設備與AP在同一房間內的環境下承載大碼流的視頻業務，而若存在穿墻的情況，則需使用以太網或PLC橋接等方式，首先完成房間之間的高速數據傳輸通道的建立，再考慮使用有線或無線的方式進行視頻業務的承載。房間內的傳感器設備通過ZigBee協議組網，但是無法直接與互聯網通信，因此需要傳感網關完成到寬帶家庭網關的連接。

家庭異構網絡形態相對比較復雜，特別是網絡性能不易得到保證。因此，在家庭互聯網新形勢下的家庭聯網和信息傳輸技術仍然值得深入的研究。

參考文獻

[1] ITU-T G.9970 家庭網絡通用傳送架構[S]

[2] IEEE 802.11 無線局域網媒體訪問控制和物理層規范[S]

[3] IEEE 1901 電力線寬帶：系統架構和物理層規范[S]

[4] ITU-T G.9960 通用家庭有線聯網收發器——系統架構和物理層規范[S]

[5] IEEE 802.15.4 低速率無線個域網[S]