基于智能网关的数字家庭网络系统架构设计

O 引言
    可以预见，未来几年将是宽带网络发展和家庭网络普及的上升期，随着全球3C(Cornputer，Communication，Cosumer)的融合趋势，数字家庭网络系统将是计算机、数字家电和移动信息终端通过有线或无线网络的无缝协作。
    目前的数字家庭网络，除了PC和家庭网关／路由器以外，又出现了媒体适配器及媒体服务器，这类新设备将许多媒体处理任务从PC中分流出来，构成一种无中心网络结构，如何将家庭控制网、数字数据网和家庭A／V网这三个相互之间异构的网络共同构成家庭高速信息网，以实现网络接入、防盗报警、室内电器自动控制管理、门禁对讲、远程抄表、远程Web监控、视频点播等成为信息技术领域中的一个研究热点。

l 数字家庭网络系统主要研究内容
1．1 数字家庭网络系统的基本功能
    数字家庭网络通过家庭网关将公共网络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，连接多种多样的终端设备，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网及家庭内部终端之间的充分流通和共享。其具备以下功能：
    家庭网关可同时连接多个或不同种类的接入技术，如支持ADSL和局域网接入。在系统功能上能够同时处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。
    家庭网络分为三部分：家庭控制网、数字数据网、家庭A／V网，这三种网络在传输速率、带宽需求、传输介质、安全要求以及QoS(网络服务质量)要求上均有明显差异，因此可以使用多种技术来构建，家庭控制网以采用基于X-10总线协议的PLC电力线载波技术为传输介质；而数字数据网、家庭A／V网以无线为传输介质，采用超宽频UWB技术，以极低功率的信号实现114 Mb／s的传输速率，满足多媒体业务对带宽的需求。
    支持射频接入技术，用户通过家庭网关内置的Web Server功能控制高频头选台，并通过多媒体编码器实时捕捉模拟数据流，编码转换为符合数字标准(如MPEGl)的数字媒体流，经WLAN传输到各多媒体播放终端，实现家庭内部各种信息终端的高速信息共享。
    家庭网关能桥接接入网QoS和家庭网络的QoS，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；通过模块的远程下载功能，灵活地支持最新技术，使得系统很容易升级，以支持未来新兴业务。
    通过家庭网关内置的Web Server功能实现远程对各种家用电器设备的控制、调节和监测，并通过SSID和VLAN技术保证用户控制命令和数据的安全性。
    家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet、远程办公。
1．2 数字家庭网络系统架构设计
    以PLC电力线载波技术和UWB无线通信技术为基础，开发基于智能网关的数字家庭网络系统，采用嵌入式家庭网关将家庭数据通信网、家庭A／V网、家庭控制网有机的结合在一起，以标准C和JAVA作为开发平台，采用RC232434作为嵌入式系统核心CPU，应用嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，采用多SSID技术、VLAN技术和VPN技术实现智能路由，并提高QoS品质，通过家庭网关服务器将小区网络信号、射频数字电视信号、电话信号、音视频信号、家电控制信号同时纳入到家庭网络中，实现处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。数字家庭网络系统架构系统框图如图1所示。

[!--empirenews.page--]1．3 嵌入式家庭网关架构框图及分析
    家庭网关架构框图(如图2所示)有7个模块：

    (1)RC32434 CPU核心模块，是家庭网关最为核心的部分，以Linux操作系统为核心，管理、协调各周边模块。主要实现网络协议转换、智能路由、QoS动态配置、网络安全等功能；
    (2)以太网接口模块是管理多个以太网接入端口，负责实现轻量级TCP／IP协议栈；
    (3)ADSL电话接口模块，实现电话信号的数字化，并通过UWB进行传输，同时可将宽带ADSL信号解调后进行广域网服务端口和局域网网络服务器之间的转发规则映射；
    (4)射频接口模块，内置高频头，对高频电视信号进行处理，具备选频、放大及变频功能，并通过多媒体编码器实时捕捉模拟数据流，编码转换为符合数字标准(如MPEG1)的数字媒体流；
    (5)PLC电力线载波接口模块，通过PCI总线与RC32434 CPU进行信息交互，将外网对家电控制信息通过电力线载波的方式传输给各家电终端，此模块实现采用正交频分复用(OFDM)调制和前向纠错等核心算法；
    (6)UWB无线通信模块，通过PCI总线与
RC32434 CPU进行信息交互，将宽带网络数据和多媒体音视频流通过超宽频UWB传输，同时接收PC和媒体终端的流媒体，通过网关转发到外网或内网；
    (7)Web Servet管理模块是家庭内部各种智能应用终端的信息和状态均以网页的形式通过Web服务器传给远程监控用户。
    系统引入VPN技术，远程用户可以通过Access VPN接入家庭网关，实现对家庭网络的安全远程访问和控制。家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet、远程办公。

2 数字家庭网络系统技术原理
2．1 PLC技术原理
    PLC利用1．6～30 MHz频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。PLC技术主要包括电力线网络单元(PNU)，它负责控制电力线网络并从单元配电网集成话务，通过适当的电信干线接口，PNU再将话务传至馈电网络。根据馈电网络中使用的不同介质，PNU也可转换来自低压配电网的数据话务。[!--empirenews.page--]
2．2 UWB技术原理
    UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲 间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽为0．1～1．5 ns，重复周期在25～1 000 ns。

3 系统创新内容
3．1 应用创新
3．1．1 基于RC32434的MIPS+Linux的系统平台
    本系统采用IDT的RC32434 Interprise集成通信处理器，其采用32位MIPS 4Kc CPU，支持标准媒体独立接口(MII)及简化标准媒体独立接口(RMII)，在此硬件平台上移植Linux，并且开发了多协议应用协议库和设备驱动程序，MIPS+Linux系统平台具有良好的稳定、移植性、优秀的网络功能、完整的TCP／IP协议栈、完备的对各种文件系统的支持，以及标准丰富的API，其内核紧凑，编译后小于512 KB。
3．1．2 多SSID和VLAN技术应用
    家庭网关可采用无线传输方式(如通过802．1lX)进行家庭内部组网，引入SSID技术可以将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每一个子网络都需要独立的身份验证，防止未被授权的用户进入本网络，而且采用多SSID技术可以实现虚拟AP功能。不同的SSID可以采用不同的认证方式及访问权限，也可映射为不同的VLAN，实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离。
3．1．3 强型X-10的总线技术应用
    家庭控制网采用X-10的总线传输技术，性价比高、兼容性、可扩充性强等优点被广泛应用于家庭控制网络，但由于其是在电力线中传播数据，抗干扰能力较差，为了解决此问题需要对X-10协议进行改进和扩充，使其具用较强的抗干扰特性，且兼容标准的x-10协议。
3．1．4 VPN技术应用
    将VPN技术应用于家庭网络，可采用Access VPN和Intranet VPN两种技术。远程用户可以通过Access VPN接入家庭网关，实现对家庭网络的安全远程访问和控制。家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet、远程办公。
3．2 技术创新
3．2．1 家庭网关的多业务、多种端口技术
    家庭网关应使用户能连接家里尽可能多的设备。网络运营商可利用这些设备捆绑多种业务，控制从基础设施到终端设备等家庭网络中所有设备上的业务。因此在硬件上采用多端口设计方案，具有RJ45，RJll，PLC，WLAN和射频多种接口，这样可通过网关方便连接如IPTV机顶盒、网络游戏终端、IP电话终端等多种终端设备。在软件上采用实时多任务操作系统和模块化设计思想，支持模块的远程下载更新，以支持未来新兴业务的媒体设备，使得家庭网关成为服务提供商与用户之间最重要的接口。
3．2．2 三网合一内部网络协议转换技术
    家庭网关连接家庭数据通信网、家庭A／V网和家庭控制网，其在网络协议、传输码流、网络服务质量以及传输载体上都有较大差异，如何实现网络异构，保证数据传输的安全，应由家庭网关内部网络协议转换模块完成，并且通过SSID和VLAN技术实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离，提高用户数据的安全性。家庭网关的物理接口可支持UWB和PLC两种传输方式，为用户提供便捷的接入方式，如控制网可采用基于x-10协议的电力线载波传输模式，移动媒体终端采用UWB传输技术，保证对带宽的需求。
3．2．3 QoS(网络服务质量)动态配置技术
    QoS的实现需要在家庭网关上实现外部网络和家庭网络之间的带宽映射分配机制，将外部网络中业务流按照家庭网络情况进行重新映射分配，需要在家庭网关上实现带宽的动态预留和分配功能，家庭网关需要同时实现外部网络和家庭网络的服务质量机制，保证端到端的QoS。另外，需要对家庭中各个终端的QoS能力进行定义，制定终端设备和家庭网关之间的QoS信令机制。
3．2．4 网络数据包过滤技术
    网络IP报文的IP报头及所承载的上层协议(如TCP)报头的每个域包含了可以由路由器进行处理的信息，可以由这些域的各式各样的组合形成不同的规则。家庭网关提供了基于接口的包过滤，即可以在宽带上行口的进出两个方向上对报文进行过滤，提高网络传输流量，保障网络安全。

4 结语
    “处处计算，处处连接”是数字家庭的最终目标，在宽带网络完成最后一公里接入之后，随着家庭网络的普及，多种多样的终端设备将逐步完成宽带最后一米的延伸，将更多更好的服务推送到家庭。本文提出采用PLC电力线载波和超宽频UWB技术构建家庭控制网、家庭数据通信网和家庭A／V网，通过智能网关的管理实现三网合一，为数字家庭梦想的实现推波助澜。