基于HomeRF的家庭宽带网络

【摘　要】讨论了HomeRF技术的原理和机制，并与其它几种家庭网络技术作了比较。
    关键词：家庭网络 共享无线接入协议 HomeRF技术
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<--关键EN(结束)←-->1 引　言
　　为了解决消费类电子设备（如PC机、可视电话、无绳电话、PDA等）之间互联的问题，使它们之间能实现信息共享，各种家庭网络技术应运而生。
　　目前最引人注目的家庭网络技术有HomeRF、Bluetooth、IEEE802．11(b)及HomePAN等。由ITU赞助，在Compaq、Intel、Philips、HP、IBM和Microsoft等几大公司的参与下，HomeRF工作小组致力于实现PC与其它来自不同国度、不同制造商的家用电器设备之间的数字通信。它制定的共享无线接入协议（Share Wirle ss Access Protocol，SWAP）结合了DECT和IEEE802．11的特点，提供了对语音和数据业务的支持，非常适合家居环境中的组网。
2 HomeRF技术
    HomeRF的SWAP协议模型见图1，其协议层次与OSI网络模型有一定的映射关系，但不是完全一一对应。在SWAP中，MAC（介质访问层）对应数据链路层，在其上的协议层则根据开展的业务不同而有所差异，它用TCP/IP承载数据业务、UDP/IP承载流业务（诸如视频数据流等），同时，为了提供高质量的语音业务，还集成了DECT协议。
                           
2．1 物理层
　　HomeRF工作在2.4GHz频段，它采用数字跳频扩频技术，速率为50跳/s，共有75个带宽为1MHz的跳频信道。调制方式为恒定包络的FSK调制，分为2FSK与4FSK两种。采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。
    在2FSK方式下，最大的数据传输速率为1Mb/s，4FSK方式下，速率可达2Mb/s。最新版HomeRF2.x中，采用了WBFH（Wide BandFrequency Hopping）技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz增加到3MHz、5MHz，跳频的速率也增加到75跳/s，当然其数据峰值也高达10Mb/s，接近IEEE802．11b标准的11Mb/s，能满足未来的家庭宽带通信。它能根据数据传输速率动态调整跳频带宽，当传输速率较低（＜2Mb／s）时，采用1MHz的带宽，当速率为10Mb／s时，则用5MHz的带宽进行通信，如图2所示。
                                 
　　SWAP系统的功耗非常低，100mPW就能覆盖40米左右的范围，可以实现一般用户居室和花园的无缝覆盖 。
2．2 介质访问层（MAC）
　　SWAP的MAC层就相当于OSI模型中的数据链路层，因此它的功能主要是完成数据帧的封装、拆封等。
　　如图3所示，HomeRF将一个跳频点上的大部分时间用于数据通信，同时根据激活的话音信道数目，动态地为语音业务预留一部分资源，这符合了未来家庭通信以数据为主的发展趋势。为了满足实时通信的要求，SWAP为流业务（Stream Meadia）定义了高级别的优先权，可以随时占用信道资源。丢失的语音数据包，SWAP将在下一个跳频点的起始时刻进行重传。
                 
　　对于数据通信，SWAP采用了IEEE802．11中的CSMA／CA（带冲突避免的载波侦听多路访问）方式，而语音业务则采用基于DECT系统的TDMA方式。
　　SWAP定义了两种类型的帧结构，一种是20ms的超帧（Superframe），另一种是10ms的子帧(Subfram　e)，这两种帧分别用于不同的场合。参见图4(a)，当网络中只有数据业务时，HomeRF将使用超帧，在一个跳频点上的通信时间为20ms，并且采用异步方式，当网络中有语音业务时，采用10ms的子帧，并增加了一个标志位（图4中的B标志），以同步方式进行通信。图4描述了同时进行语音、数据通信时，帧结构的变化情况。
             
2．3 网络层
　　如图1所示，SWAP采用了Internet的TCP／IP协议，TCP协议应用于一般的数据通信，而UDP协议用于开展流业务（Stream Media）。
　　SWAP组网的形式非常灵活，既可以采用ad－hoc网络，也可以作为控制网络使用。在ad－hoc结构的网络中，所有的接入点之间都是平等的，既可以作为主机也可以作为路由器，由各点对网络进行分布式控制，不过这种网络结构只支持数据通信，而对于对时间有要求的业务（例如语音通信等），则必须采用控制网络，这时就要有一个专门的控制点（Control Point，CP）对整个系统进行管理与协调，它通过标准的接口如USB与PC机相连，就可以成为一个接入PSTN的网关，同时 ，在这个CP点中加入功率管理模块，合理安排网络中各种设备的唤醒和轮询时间，就可以延长电池使用的寿命。
　　在SWAP中，一个子网有一个24bit的ID号，最多能容纳256个接入设备。这些接入设备主要分为四种类型：
    ·连接点（Connection Point），相当于控制点CP，能支持语音和数据通信。
　　·语音终端设备，采用TDMA方式进行语音通信。
　　·数据节点设备，采用CSMA／CA方式进行数据通信。
　  ·其它能同时支持语音和数据业务的节点设备。
　　HomeRF1．x的终端实际上就已经能实现真正意义上的漫游，但是在标准协议中对越区切换和多地址冲突的问题没有详细的描述。新版的HomeRF2．0协议中对漫游机制进行了规范性的描述，可以实现终端在相邻接入点之间的无缝切换。
2．4 语音通信
　　为了提供高质量的语音通信，HomeRF继承了目前相当成功的无绳电话系统——DECT的协议与规范。
　　HomeRF2．0的话音质量可以达到4．1MOS，而一般的公用电话的质量为4．3MOS，移动电话的语音质量只有3．4MOS。由于是以DECT为基础，HomeRF能继续支持各种新业务，诸如呼叫等待、呼叫转移，系统中可容纳多达8个激活的话音信道。
　　2．4GHz ISM频带是对全球都开放的频带，广泛应用于科研、工业、医疗系统中，这一频段几乎所有国家、企业、个人都无需申请就可以使用，因此工作在这个频段的无线通信系统会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、其它的无线局域网、微波炉等等，这些干扰会造成分组包的丢失，为解决这个问题，HomeRF采用了重传的机制，如图5所示，在频点fN处，由于外界的干扰造成语音数据包丢失，于是由CP控制点（ControlPoint）安排在下一个频点的10ms时间里重传。
              
2．5 数据通信与流业务（Stream Media）
　　为了实现对数据包的高效传输，HomeRF采用了IEEE802．11标准中的CSMA/CA模式，它与CSMA/CD类似，以竞争的方式来获取对信道的控制权，在一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据。
　　与其它协议不同的是，HomeRF提供了对流业务（Stream Media）真正意义上的支持。由于对流业务规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实时性流业务所需的带宽和低干扰、低误码。SWAP最多可以同时支持8个激活的流业务信道，这些流业务可以采用单工 、双工及多播方式。
　　流业务的典型应用为交互式的视频会议、无线耳机、杜比环绕立体声等。
2．6 安全机制
　　随机的跳频方式以及低功率传输，可以有效防止外界对系统进行恶意攻击及截获数据。HomeRF对数据采用了Blowfish加密算法（有多达1万亿个码字），进一步增加了数据的安全性 。
3 与其它家庭网络协议的比较
　　家庭网络主要分为两大类：有线网络和无线网络。有线网络主要是利用家中的电话线或电力线进行组网；无线网络则主要是利用2．4GHz频段的无线资源组网。
3．1 有线组网
3．1．1　电话线组网
　　HPNA组织（Home Phoneline Networking Alliance）制定了在现有电话线上实现家庭网络的标准，有1．0和2．0两个版本，其中HPNA1．0支持1Mbps的传输速率，而HPNA2．0可以达到2Mbps。
　　HomePNA采用频分复用技术实现了在现有电话线上承载多业务而不相互干扰，不同的业务被分配到了不同的频段。HomePNA使用简单、维护方便，有较合适的性价比，支持Internet接入，支持接口V．90、ADSL和Cable Modem，而且它可以与以太网或HomeRF共同使用。
3．1．2　电力线组网
　　利用家中现有的电力线也可以组网，Enikia、Intellon和Intelogis公司正从事这方面的工作 。数据在传输前先进行加密，而且信号衰减较快，从而保证了安全性。但电力线有其缺陷：易受到诸如闪电之类的干扰，而且闪电还会对设备造成威胁。目前，电力线网络支持以太网标准，所以它们之间的软件可以通用。
        
3．2 无线组网
　　连接家庭网络最理想的技术就是无线通信技术。目前，主要有三种家庭无线组网技术：IEEE802．11（无线局域网）、HomeRF和Bluetooth蓝牙技术。
3．2．1 IEEE802．11标准
　　IEEE802．11是无线局域网标准，它主要定义了物理层和MAC层的规范。在物理层，支持红外线、FHSS跳频扩谱以及DSSS直扩方式。其MAC层采用了CSMA／CA载波监听多重访问／冲突避免（Carrier Sense Multi ple Access with Collision Avoidance）协议。 802.11a和802．11b是两个扩展的标准，802．11a工作在5GHz频段，传输速率高达54Mb／s，而工作在2．4GHz频段的802．11b则适合于家居环境，最高速率可达11Mb／s。
　　不过，IEEE802．11产品与HomeRF相比，价格过高，而且目前它只支持数据通信。
3．2．2　Bluetooth技术
　　蓝牙计划是由爱立信、诺基亚、英特尔和东芝等五大公司发起的，它的目标是提供一种通用的无线接口标准，用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信。
　　蓝牙的工作频段选在全球都可用的2．45 GHz，以1600跳／s的速率进行跳频通信，以2.45GHz为中心频率，选用了79频点，信道带宽为1MHz。在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721 kbit／s，通信范围约为10米。蓝牙规范的协议栈采用分层结构，完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（QoS）、协议的复用和分用等功能。
　　目前，蓝牙技术得到了许多厂家的支持，但其在家居环境下的通信质量依然不太理想，与HomeRF相比，抗干扰能力不强，而且受到干扰后，数据速率迅速下降。
　　总的来讲，IEEE802．11比较适于商业环境下的无线网络，蓝牙技术适合于移动设备之间的互连，而HomeRF则适合家居环境中的通信。表1比较了这几种技术的特点。
4　结束语
　　HomeRF不同于其它技术之处在于，它从一开始就定位于构建家庭网络，充分考虑了家居环境中的各种因素，因此适合今后家庭的宽带通信。
　　在今后几年，家庭网络的年平均增长率将达到95%，而利用无线技术组网将呈逐年增长的趋势，HomeRF技术以其良好的性价比已得到用户的肯定。