数字家庭网络及其组网方式

引 言

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。

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。