作者：彭木根  姜涌  王文博

    摘要：數字家庭網絡是通信領域的一個重要分支，近年來發展非常迅速。

    基于電信網絡的數字家庭網絡體系結構在中國已經標準化，但就接入方式而言，只是定義了可以使用無線方式，如何組建無線數字家庭網絡是未來研究的重點。文章提出了無線數字家庭網絡泛在接入概念，給出了無線泛在接入網絡體系結構，并就其中的要害技術進行了探討，包括感知無線電、無線網狀網(Mesh)網絡理論、通用接入點鏈路轉換機制、業務的QoS保障機制以及電磁兼容和異構系統共存機制等。

    隨著信息技術的迅猛發展，人類社會已經從工業社會進入信息社會，信息社會對人們的生活產生了巨大的影響，它改變著我們的行為、思維方式，20世紀80年代初美國學者托夫勒在其著作《第三次浪潮》中就預言信息社會中人們的生活中心將從工業社會的以社會為核心回歸以家庭和個人為核心[1]，從通信領域來看，數字家庭網絡將成為熱點，在信息社會中具有重要的地位。

    數字家庭網絡是為了滿足用戶的某些需求而組建的，為用戶提供一定業務與應用的網絡。用戶的需求可以是有限范圍內多個設備之間的信息流通，也可以是有限范圍內的多個設備與公共網絡之間的信息流通，甚至可以是有限范圍內的所有設備之間以及這些設備與公共網絡之間的信息流通。數字家庭網絡可以基于無線也可以基于有線架構，需要注重的是，寬帶無線接入在全球不斷升溫，近幾年來中國的寬帶無線用戶數增長勢頭也十分強勁。作為寬帶無線接入的研究重點，無線數字家庭網絡擁有廣闊的市場空間。據In-Stat/MDR公司猜測，家庭網絡市場將于2007年增長至53億美元，在

    這個市場內，家庭多媒體無線網絡技術將占據大約49%的份額，即26億美元[2]。

    數字家庭網絡采用無線接入方式有著廣泛的應用前景。隨著家用電氣、移動設備和電腦設備技術不斷更新和提高，三者之間的無縫交互，消費者在家電、移動設備和電腦設備上獲取、查看和治理越來越多的數字媒體內容，在家中不同的地方通過不同的設備輕松便捷地欣賞媒體內容，實現無線數字家庭網絡化已成為發展的趨勢。無線數字家庭網絡具有短程特性，更關注最后10m的接入，它將以超寬帶(UWB)作為高速短程無線通信技術的核心，這樣能夠保證家庭環境下的消費電子、辦公設備、計算機周邊設備和移動通信終端等通信速度。但是，只是具有鏈路間的高速傳輸速度，無法保證能夠組建一個高速的無線數據家庭網絡，必須定義其網絡架構和媒體介入層的相關協議。

    1  無線數字家庭網絡研究和標準化現狀

    從無線空中接口來看，無線數字家庭網絡屬于數字家庭網絡的接入子網，從其無線通信的距離來看，屬于短程無線個域網(WPAN)的技術范疇。對于短程無線個域網來說，目前主要側重使用超寬帶(UWB)技術來提供短程的高速信息傳輸，也可以用來提供測距和定位等功能。超寬帶技術相對于擴頻通信等傳統窄帶和寬帶通信方式而言是一種全新的通信方式，從信號的產生角度看，超寬帶技術可以不采用正弦波將基帶信號調制到信道上，而采用基帶信號直接激勵天線發射超短時寬的沖激脈沖，以時域窄脈沖作為信息載體。目前，UWB主要有兩種通信技術，一種為基于窄脈沖的超寬帶技術，主要由Motorola等公司倡導；另一種為類似于正交頻分技術的脈沖化多波超寬帶技術，主要由Intel公司倡導。但這兩種超寬帶通信技術中國并不具有自己的知識產權，而且其相應的標準和應用還沒有成熟，相反，沖激脈沖型的UWB技術中國具有一定的知識產權優勢，并且就沖激脈沖型UWB技術本身而言，具有數據傳輸率高，定位精確等特點，能支撐更多的業務類型。超寬帶的技術標準主要在IEEE802.15工作組進行。該標準有兩個，一個是極短程、極高數據率的802.15.3a協議，另一個是較長距離、低數據率的802.15.4a協議。

    藍牙技術是另一種目前使用較廣泛的無線通信方式，是一種實現無線數據與語音通信的開放性全球規范，其實質內容是為固定設備或移動設備之間的通信環境建立通用的近距無線接口，將通信技術與計算機技術進一步結合起來，使各種設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內實現相互通信或操作。其標準工作主要由藍牙非凡愛好組(BluetoothSIG)完成，傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHz免許可證頻段(ISM)，提供1Mb/s的傳輸速率和10 m的傳輸距離。

    還有一種主要的短程無線個域網技術是Zigbee技術。Zigbee是一種新興的短程、低功率、低速率無線接入技術。它工作于無需注冊的2.4GHzISM頻段，傳輸速率為10～250kb/s，傳輸距離為10～75 m。它看起來更接近于藍牙，但比藍牙更為簡單，具有更低的傳輸速率和功率消耗，且大多數時間處于睡眠模式，更加適用于那些不需要實時傳輸或連續更新的場合，如工業控制領域和傳感器網絡。Zigbee的主要支持者聯合起來成立了Zigbee聯盟，共同推進該技術的進一步發展和應用，該聯盟目前已有70個成員。該聯盟7個最初的發起企業是：Emer、Honeywell、Invensys、三菱、摩托羅拉、三星和飛利浦。Zigbee是IEEE 802.15.4標準的擴展集，802.15.4工作組主要負責制訂物理層及媒體訪問控制(MAC)層的協議，Zigbee定義了應用層和安全方面的規范，使得來自不同廠商的設備可以相互對話。

    其他具有發展潛力的短程無線個域網標準包括：短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統等。這些技術或基于傳輸速度、距離、耗電量的非凡需要，或著眼于功能的擴充性，或符合某些單一應用場景的要求，或滿足競爭技術的差異化等。表1給出了3種主要短程無線通信技術的特性。

    目前，支持短程無線個域網的標準主要是IEEE802.15系列，它是為特定的無線短程無線通信網絡，即無線個域網，所量身定制的標準，雖然目前該標準還沒有成熟。1998年IEEE802.15工作組成立，主要致力于研究個人區域網絡和短程無線網絡標準化問題。根據數據速率、功耗以及對服務質量(QoS)的要求的不同，IEEE802.15工作組定義了3種不同類型的無線個域網(WPAN)標準，它們分別是傳輸速率高于20 Mb/s的高速無線個域網(HR-WPAN)、傳輸速率1 Mb/s的中速無線個域網(MR-WPAN)和傳輸速率比較低的低速無線個域網(LR-WPAN)。IEEE 802.15工作組還成立了專門的任務組分別對他們進行標準化。IEEE 802.15.1是IEEE提出的第一個取代有線連接的無線個域網技術標準，以藍牙技術為基礎，屬于中速短程無線通信網絡。IEEE 802.15.2于1999年成立，主要目標是為IEEE 802.15無線個人網絡發展推薦應用。它可以與基于開放頻率波段的其他無線設備(如IEEE 802.11設備)共存。為其他802.15標準提出修改意見以提高與其他在開放頻率波段工作的無線設備的共存性能。IEEE 802.15.3的目標在于得到更高的數據傳輸率，取得低成本和低電能消耗，同時還與藍牙兼容，為低功率、低成本的短程通信制訂高速率WPAN標準。此外，工作組3a(TG3a)進行IEEE 802.15.3超高速WPAN物理層可選標準的制訂工作，用以替代高速WPAN的物理層，超寬帶(UWB)技術目前為其主要考慮的技術。對于一些只需要簡單的無線連接的應用領域，對數據速率的要求不高，對功耗的要求則更為嚴格，如工業控制和家庭網絡，IEEE 802.15.4工作組由此應運而生。工作組研究定位于低數據傳輸率的應用設備，為個人區域網絡應用提供綜合的網絡解決方案。工作組4(TG4)主要負責制訂物理層及MAC層的協議，其余協議主要參照現有標準。

    需要注重的是，無線數字家庭網絡是一個新興的無線應用領域，對滿足家用市場需求的無線技術尚在不斷的探尋之中。目前，中國的標準化協會已經正式開始對基于電信網絡的數字家庭網絡進行標準化工作，包括家庭網絡支持的電信類業務、家庭網絡的參考模型、家庭網絡功能要求、家庭網絡的媒體格式、家庭網絡的編號及地址、家庭網絡的性能設備的電磁兼容(EMC)要求、家庭網絡設備環保要求等，但無線數字家庭網絡的相關標準化工作還沒有啟動。

    2  無線數字家庭接入技術

    2006年2月，中國通信標準化協會(CCSA)批準了《基于電信網絡的家庭網絡總體技術要求》和《基于電信網絡的家庭網絡設備技術要求??家庭網關》兩項通信行業標準報批稿。在這兩份報批稿中，對基于電信網絡的數字家庭網絡體系結構進行了具體定義，闡述了數字家庭網絡的功能，并就其支撐的業務進行了探討。在標準中明確規定，對于數字家庭網絡來說，其接入方式可以是無線的也可以是有線的[3]。從未來通信技術的發展來看，無線寬帶接入是數字家庭網絡的重要發展方向。由于目前的標準還沒有討論無線接入技術，下面提出一種適合數字家庭網絡的無線泛在異構接入架構，并闡述其中的要害技術。

    對于數字家庭網絡的無線接入承載環境，這里稱為微微網。圖1所示的無線終端可以是單?；蚨嗄９濣c，支持單一或多種不同無線數字家庭網絡物理層接入模式。其中同構微微網內的無線終端接入所在微微網內的專用接入點，網內通信可以采用點對點或采用專用接入點中繼的方式；而異構微微網內的無線終端接入所在微微網內的通用接入點。網內同構節點之間的通信可以采用點對點或采用通用接入點中繼的方式，網內異構節點之間的通信由通用接入點提供中繼。

    專用接入點具備同構無線數字家庭網絡網內控制功能，通用接入點具備異構無線數字家庭網絡網內分布式通信功能，無線數字家庭網絡間可以通過有線或無線的方式進行異構互連和協同應用。專用/通用接入點均可自適應地處理時域、頻域、碼域、空域信號，精細調度頻譜資源，同時提供對外以有線或無線的方式高速接入分組核心網的服務，從而與未來移動核心網絡(B3G/4G)互為支撐，統一享有通用ip多媒體子系統(GIMS)的服務。

    GIMS能夠通過采用IP多媒體應用為任何狀態的用戶提供語音和數據通信業務，支持與現有的固定/移動語音和IP數據網絡(如PSTN、Internet)等進行互通，從而形成全IP多媒體核心網。為了滿足不同業務和外部接口的需要，GIMS由以下幾個功能模塊組成：歸屬用戶服務器(HSS)、媒體網關控制功能(MGCF)、多媒體資源功能代理(MRFP)、媒體網關功能(MGF)、安全功能模塊、QoS功能模塊、會話啟動協議(SIP)服務器等。

    基于該整體網絡體系結構，根據支撐的業務和服務、終端節點物理層技術以及通信需求不同，可能的應用場景包括：

    (1)同構微微網內通信

    此時專用接入點負責其所在微微網內與各終端節點間信令信息的控制，并根據物理層技術的不同支持，保證兩個同模終端節點直接進行點對點通信或由專用接入點進行數據的中繼傳輸。

    (2)異構微微網內通信

    異構微微網內通信時通用接入點負責其所在微微網內與各終端節點間信令信息的控制，并根據物理層技術的不同支持，保證兩個同模終端節點直接進行點對點通信或由通用接入點進行數據的中繼傳輸，以及兩個異模終端節點由通用接入點進行數據的中繼傳輸。

    (3)同構微微網間通信

    此時專用接入點負責跨微微網的同構終端節點間通信，其功能包括無線網狀網(Mesh)路由、資源分配和調度，以及分布式功控等。

    (4)異構微微網間通信

    此時通用接入點負責不同接入模式的終端節點在異構微微網間的通信，可以采用無線或有線的方式。

    無線數字家庭網絡互聯體系結構及分布式控制機制將會為用戶提供一個通用的業務體系結構，滿足用戶隨時隨地的不同需要的多元化業務需求。無線移動通信技術和計算機技術的融合將使得不同形態不同組織結構的網絡協同工作，這種協同式的服務并非簡單的異構網絡的融合，而是通過不同網絡的差異和互補性來實現資源的有效整合，使其充分發揮局部優勢，為用戶提供無處不在的人性化的服務。從協議棧的角度看，異構泛在無線數字家庭網絡的整體協議框架結構如圖2所示。

    網絡層基于異構無線數字家庭網絡的特點，使用分布式Mesh路由機制。這種技術比起傳統的點對多點通信技術具有諸如節能、自配置、自愈性和易擴容等很多優勢。

    數據鏈路層之上使用通用鏈路層，它的主要作用包括：

    (1)作為多種接入技術匯聚子層，對上層提供統一的接口，屏蔽下層多種接入環境。

    (2)控制和補充各種接入技術的MAC層功能，即盡可能地有效利用多系統無線資源治理分配的無線資源。

    控制部分使用多系統間的分布式無線資源治理，有效利用無線資源，保證異構網絡下的多種業務的QoS。同時考慮功率控制、網絡安全信息等的治理。在這種異構無線數字家庭網絡中，需要采用一些要害技術，比如感知無線電技術、無線Mesh技術等等。

    2.1感知無線電

    感知無線電(CR)技術是軟件無線電技術的演化，是一種新的智能無線通信技術，它具有智能性，能夠使無線設備及其天線感知其所處的射頻(RF)環境，并在必要時調節所使用的頻帶以避免發生干涉，從而指導軟件定義無線電(SDR)選擇正確的執行方式和參數。

    感知無線電的基本原理在于傳輸信號時，首先要分析無線傳輸場景。在無線場景下發送端產生的激勵一般都是非穩態的空時信號，過程主要由空時處理完成。在接收端，通過判定不同頻段下的干擾大小，檢測干擾小的可用頻段，并且做出對一些傳輸參數進行調整的判決。接收端所有的這些信息然后反饋到發送端，用于控制發信信號的功率和占用的頻譜等。另外，對于時分復用模式，考慮到無線信道的互易性，可以應用自適應天線波束形成技術進行干擾抑制。

    在無線數字家庭網絡中，由于物理層一般可使用UWB設備，它具有占用寬帶寬的特色，通過使用感知無線電技術，進行動態頻譜分配，調整射頻端的發射功率，從而避免強的干擾，提高泛在網絡的系統性能。

    2.2無線網狀網

    對于無線數字家庭網絡來說，各種終端將組成一個分布式無線網絡。在目前的分布式網絡研究領域，無線Mesh網絡技術有望給無線寬帶領域帶來重大變革。在無線Mesh拓撲結構下，網絡中的每個節點都具備路由的功能，每個節點只和鄰近節點進行通信，因此是一種自組織和自治理的網絡。實際上，無線Mesh網絡更像是Internet本身的一種無線版本，分組數據從一個路由到另一個路由進行傳遞直至到達其目的地。這些特點使無線Mesh網絡比起傳統的點對多點通信網具有諸如節能、自動配置和易擴容等優勢，很多公司如諾基亞公司、北電公司等開始將無線Mesh技術用于寬帶網絡接入(相關標準是IEEE802.11n)，并且相關的無線路由器等產品也已開始商用[4]。

    目前，無線Mesh仍處于要害技術研究與初步應用階段，在IEEE802各無線接入標準化組織中都有涉及，IEEE802.15已成立了無線個域網Mesh工作組(TG5WPAN Mesh Networking)。無線Mesh技術應用于基于UWB、藍牙或其他接入技術的異構無線接入網絡，實現網間互聯互通，其潛在優勢和可能取得的技術性突破包括：

    通過中繼拓展無線數字家庭網絡的覆蓋范圍。

    可用帶寬隨節點數的增多而增加，從而提高頻譜利用率，增加系統容量。

    初期建設費用低，無需復雜中繼基礎設施的安裝。

    網絡具有可伸縮性，易擴容。

    分布式自配置、自組織。

    多路由選擇，增強系統柔韌性和自愈能力。

    2.3通用接入點鏈路轉換機制

    在異構無線家庭網絡中，通用接入點負責不同模式的無線家庭網絡間的數據傳遞與轉發，因而通用接入點需要具備與不同無線家庭網絡節點進行通信的功能，同時還要具備與外部網絡進行通信的功能(有線或無線方式)。通用接入點應被設計為可軟件配置的多模設備，支持與多個無線家庭網絡自適應通信。目前解決方法為，在物理層和MAC層之上，加入通用鏈路層(GLL)，如圖3所示。

    GLL主要以完成如下功能：

    對上層協議(如IPv6)提供統一接口。

    進行不同無線家庭通信網絡間的MAC協議數據單元(PDU)映射，以支持不同無線家庭網絡設備之間通信。

    支持動態的無線家庭網絡接入及選擇機制。

    模塊化的結構，以支持新的無線家庭網絡標準。

    由于不同網絡MAC標準有很大差異，表現在：首先，物理幀結構不同，使得依靠于幀長及微時隙的調度時間等級會有很大差異；其次，同樣由于幀結構的差異，不同網絡技術下的MAC分組數據單元(PDU)大小不同；另外，特定網絡采用特定的頻譜、雙工方式、調制編碼方式及網絡結構，導致所支持的業務速率也可能會有很大差異。因此，需要研究并設計適應性非常好的GLL功能，從而保證較優的包格式、速率匹配及業務質量等需求。

    另外，因為異構無線家庭網絡需要通過接入點與外部網絡，如互聯網、蜂窩通信網、城域網等進行通信，而設計一個支持高速吞吐量的通用接入點(AP)，可以有多種可選方案。一種為基于未來全IP網的概念，異構無線家庭網絡中的接入點(AP)可直接接入相應的IP網邊緣路由器。另外一種方案融合無線城域網技術，將通用接入點作為WiMAX系統中的一個用戶節點，通過WiMAX空中接口連接到骨干網。

    2.4業務的QoS保障機制

    未來的異構無線家庭網絡必須能支持各種多媒體業務。不同的業務類型具有不同的服務質量的要求，如視頻流等實時業務對時延很敏感，要求的速率也很高，而一些文件的傳輸則相對能忍受更長的時延。鑒于業務及業務要求的多樣性，未來的異構無線家庭網絡應采用有效的QoS保障機制，為各種具有不同時延、時延抖動、速率、丟包率等QoS要求的業務提供可接受的服務。按照上述的異構無線家庭網絡的網絡結構，QoS的保障主要體現在兩個方面。一方面，同構結點間的通信，假如必須經由專用接入點，則專用接入點應能在控制范圍內保證結點通信的即時性和通信速率，限制差錯率；若多個結點間可直接通信，則需要采用有效機制對它們之間的通信進行協調和控制，以提高通信效率和資源利用率。另一方面，對于異構的通信實體，通用接入點應能通過有效的資源治理方式以及對不同業務、不同結點的調度和控制以及其他的有效措施來保證所需的通信質量，如盡量縮短異構網絡之間數據的處理時延等。

    QoS的支持不僅僅要考慮無線接入網，需要考慮端到端的通信。從整個家庭網絡來看，它支持的QoS保證功能可分為3種類型，并形成相互獨立但有機關聯的3個平面：控制平面、數據平面和治理平面。

    控制平面內包含了一系列與用戶流量傳播路徑相關的控制功能。家庭網絡支持的控制平面QoS功能包括接納控制和資源預留。接納控制功能支持在網關節點的入口處控制流量能否接入網絡。通常情況下的接入標準是一個策略驅動的決策過程，流量是否被接入取決于已經協商確定的用戶服務的優先等級。接納決策依靠于網絡中可用資源的多少和接入該流量后是否會影響已被接入到網絡中的其他流量的服務性能。接納控制機制確保服務提供者在和用戶的交易過程中協商確定的性能參數能夠得到滿足，同時能滿足用戶期望的(也是由服務提供者和用戶事先協商約定的)服務可用性和可靠性；對于用戶業務流量，連接接納控制分4種優先等級：緊急服務(一般保留給應急通信流量)、高優先級、一般優先級和盡力傳送。而資源預留機制支持高優先級業務的資源預留功能，支持認證、授權和計費(AAA)，并能夠在多個服務提供者爭用資源時進行仲裁。

    數據平面內包含的是直接涉及用戶流量的控制功能。家庭網絡支持的傳送平面QoS功能包括流量分類、分組標記、流量整形和流量管制、排隊和調度、擁塞避免、緩存治理等。

    治理平面內包含的機制涉及網絡運營、治理等方面。家庭網絡的治理平面QoS控制功能包括流量計量和測量、策略治理等。

    對于家庭網絡的網關而言，它最好支持策略執行點(PEP)功能，并與接入網/廣域網內的策略決策點(PDP)相互協同。PEP與PDP之間交換的策略信息可包括分組標記、接納判決、用戶優先級、顯式路由、分組丟棄、隊列帶寬分配、按需增值業務、對網絡擁塞的響應動作等。

    2.5電磁兼容和異構系統共存機制

    系統共存的一個重要因素和頻率資源分配和干擾避免密切相關，這時就牽涉到不同系統間的資源協調控制。基于感知無線電機制，家庭接入網的不同電子設備間的電磁干擾較少，但仍需要從理論上給出實際的異構泛在無線家庭網絡的電磁兼容和系統共存機制，確保相互之間的電磁干擾達到相關標準。

    對于無線家庭網絡來說，其可使用的頻譜仍然沒有確認。假如物理層采用UWB技術，則由于UWB設備需要在很寬的頻帶中與其他無線通信系統共存，UWB系統在防止受到其他系統干擾的同時，要保證其他系統的正常使用。這點是UWB技術能否順利推廣的重要因素。即使UWB設備能夠滿足相關頻率監管部門的發射功率限制，仍需要規避某些敏感頻段[5]。

    基于UWB的無線家庭網絡系統共存和電磁兼容理論還有很多工作要做，如頻譜尚未劃分、發射功率的限制要求尚未確定、作為頻譜劃分依據的兼容性研究和測試技術尚不成熟、技術方案尚未選定等。

    3結束語

    數字家庭網絡作為寬帶網絡的延伸和寬帶增值服務的擴展，將為電信運營商提供新的機遇。數字家庭網絡是傳統電信網絡延伸入家庭的部分，是電信多業務運營和治理的橋頭堡。利用數字家庭網絡，可延續和保證傳統電信運營商的端到端業務及新業務的運營。

    目前，有關數字家庭網絡的中國標準化工作剛剛啟動，預計2009年能取得初步階段性成果。但是對于其無線接入機制，目前還沒有展開研究。傳統的集中控制的典型接入機制對于數字家庭網絡同樣適用，而傳統消費電子產品與帶寬的限制使各終端采用對等通信的方式將變得非常流行，所以無線Mesh機制將在未來的數字家庭接入網中占有重要地位。考慮到未來網絡的泛在異構性，本文專門提出了一種新型接入網架構，并討論了其中的要害技術。如何解決這些要害技術，是未來的研究重點和難點，也是未來無線寬帶通信系統的研究方向。