家庭互联网中的互联技术

中国信息通信研究院 北京 100191

引言

随着电子信息技术和通信技术的发展，家庭中的信息设备种类和数量大大的增加，而随着3G、4G等移动网络业务的普及，手机、平板电脑等个人通信终端也成为家庭信息设备的重要成员，因此如何将种类繁多、形态各异的家庭信息设备进行互联，组成一个方便使用、灵活安全的家庭网络成为一个值得关注的问题。

传统上家庭网络中的设备可以划分成三类功能中心，分别聚焦于家庭内部互联、音视频媒体共享和安防控制等智能家居应用。网络中心，一般是以接入网关为代表的通信控制设备；娱乐中心，以机顶盒、智能电视等为代表的媒体、娱乐存储和互动设备；控制中心，一般用于低速IP控制业务和非IP设备的控制和代理。

当然，在实际的组网和设备实现中，这些功能中心可能分布在不同的设备中，也可以部分集成在一个设备中。

1 家庭互联网的信息传输需求

家庭网络虽然覆盖面积不大，但其中涵盖的业务种类十分的丰富多彩，各种业务的传输速率需求各异，下面列出了几种主要业务的传输速率要求。

1)互联网访问：互联网访问的最高速率受限于运营商提供的宽带接入业务的速率，随着各运营商“提速降费”工作的推进，50Mbit/s和100Mbit/s接入将成为宽带接入业务的主流，部分地区已经开始小规模试点200M到1000M的宽带业务。虽然大多数情况下实际的单一终端互联网访问体验速率不可能达到接入速率，但是当家庭内部多终端共同使用时，达到50M或100M接入速率的上限是可能的。

2)家庭存储共享：家用数码相机、数码摄像机、电子文档、数字音视频产品等为家庭成员提供了大量的数字化信息。过去，这些信息分散的存储在不同的存储卡、光盘、电脑硬盘上面，整理和备份困难，且相互之间难以分享。通过网络存储(NAS)设备可以解决大量信息保存、整理和共享的问题。普通家用NAS的读写速率一般是50MB/s～120MB/s，转换成网络速率的需求大概在400Mbit/s到960Mbit/s。

3)家庭音视频媒体共享：家庭组网为电脑、电视和手机的三屏融合提供了可能，家庭成员可以在家中任何屏幕上观看家庭中存储的影音节目。不同的视频等级和不同的音视频压缩算法对影音流速率的要求不同，目前常用的1080p视频流大概需要20Mbit/s左右的码流速率，而即将到来的4K超高清视频大概需要30～40Mit/s的码流传输速率。

4)智能家居和能源控制：智能家居控制可以远程或定时启动和设置某些家用电器，为家庭提供舒适的家居环境；也包括通过家庭能源监控，重点能耗设备管理，能源计量设备管理等多种手段，使消费者对能源消耗有准确的掌握，对家庭的能源消费进行规划，达到家庭节能的目的。该类业务设备一般更重视低功耗，采用“休眠-通信-休眠”模式工作，因此带宽需求较低。

5)家庭安防和社区服务：家庭安防是指利用传感技术，通过各种传感器、门窗磁、读卡器、门禁控制器以及其它安防监测设备为住宅提供入侵报警、防火、防意外等安防功能；社区服务包括了便民服务、社区服务、物业管理服务等。这类业务的使用频度也较低，通信需求不大，带宽需求较低。

总的来说，家庭中的各类业务中，家庭存储共享所需带宽最高，各类智慧家庭、安防等控制类业务所需带宽最低，如表1所示。

表1 家庭互联网业务传输带宽需求

从表1可以看出，对于家庭联网技术来说，至少要保证100Mbit/s的信息传输速率才能与目前的基本家庭业务需求相匹配，如果在家庭内部追求较好的业务体验，则需要1000Mbit/s的信息传输速率。

2 家庭互联网的信息传输架构

ITU-T在建议G.9970中给出了通用的家庭网络传送层架构[1]，如图1所示。整个家庭网络划分为使用IP协议的“IP家庭网络”和使用其他专有技术或协议的“非IP家庭网络”。图1中位于接入网和家庭网络之间的“接入网关”特指“接入网关的传送层功能”，而不包含网关设备中集成的业务功能。IP家庭网络直接与接入网关相连，完成与外界的信息互通和内部多个非IP家庭网络域的互联，是家庭网络的核心部分。非IP家庭网络可以包括各种非IP的音视频传输接口、安防控制信号接口以及传统的电话线接口等。

图1 家庭联网的一般架构（G.9970）

3 家庭联网技术

家庭中的物理组网与其他网络不同，除了极少数的发烧友，绝大多数家庭没有专门为家庭中的设备联网敷设专用的通信线路。因此，家庭网络的传输要么采用无线局域网技术，绕开线路问题，要么利用电力线或以太网线等已有线路组建家庭网络，更多的情况是需要因地制宜，采用有线、无线多种网络的桥接，才能既满足每个家庭中每个房间的网络覆盖，又可以保证相当的速率。

3.1 无线局域网(WLAN)技术

家庭无线局域网技术主要使用基于IEEE 802.11[2]系列规范和Wi-Fi联盟认证标准的无线局域网技术。IEEE 802.11技术最早于上世纪90年代末标准化，十几年来陆续发展出来802.11a/b/g/n/ac等多种后续标准(如表2所示)，速率不断提升，特别是可以和手机、平板电脑等移动设备方便连接，因此在家庭组网中获得了广泛的应用。

表2 WLAN技术标准对比

得益于全球庞大的WLAN用户市场，2009年发布的802.11n技术和2013年发布的802.11ac技术目前已经获得了广泛的应用。新上市的无线路由器和笔记本已经普及了对802.11ac的支持。

802.11 ac是802.11n技术的演进，从三个方面对802.11n技术进行了增强：一是使用信道带宽，增加了80MHz和160MHz信道带宽的选项。信道带宽的增加对于传输速率增长最为显著，相比于802.11n最大40MHz带宽，802.11ac使用80MHz带宽可以获得2倍以上的速率；二是将802.11n最大64QAM调制增加为最大256QAM调制；三是支持更多的MIMO空间流。802.11ac是使无线局域网速度方面可以与千兆以太网相匹配的技术，必将成为无线局域网应用的主流技术。

无线局域网工作的2.4G和5G都是非授权频段，信号易受到干扰，因此，虽然物理层标称速率较高，但实际使用的数据吞吐量与之相差较远。另外一个实际使用中的影响是穿墙能力不足，特别是国内常见的钢筋混凝土承重墙对信号衰减较大，需要合理选取无线路由器在家中的放置位置。

3.2 电力线通信(PLC)技术

电力线通信技术是利用家庭中随处可见的电力线作为通信信号的传输媒质，进行组网通信的技术。目前国际上两种主流的室内高速电力线技术标准分别是HomePlug系列和ITU G.9960系列。目前市场上的“电力猫”产品以HomePlug技术方案的居多。

电力线信道的特点是阻抗不稳定，且噪声来源比较丰富。因此电力线通信一般采用抗噪声能力强的OFDM调制技术，并配合强力的纠错编码和重传机制，以保障信息的可靠传输。

HomePlug系列标准也经历了几代的变迁。最早的HomePlug标准是2001年发布的HomePlug-1.0规范，峰值速率仅为14Mbit/s。2005年，HomePlug联盟发布了HomePlug AV标准，将物理层速率提升到200Mbit/s，对应MAC层速率大约是80Mbit/s。2012年HomePlug联盟发布了Homeplug AV2规范，并以此为基础发布为IEEE P1901[3]，不但物理层调制速率增至600M，并且通过支持MIMO技术，使得电力线通信速率跨入千兆大关。

作为与HomePlug系列规范的对应，ITU-T制定的G.9960系列规范[4]也支持类似的物理层速率、MIMO技术等。

受制于电力线通信技术市场标准的分裂，产品成本无法有效的降低。与WLAN技术相比，电力线联网产品市场并未获得预期的成功。但作为一种无需额外布线的有线连接技术，“电力猫”可以作为有线中继设备连接两个或多个无线接入点，实现家庭内方便的无线覆盖布置，弥补无线局域网穿墙能力不足的缺点。

3.3 以太网技术

无论是无线局域网技术，还是电力线通信技术，虽然峰值通信速率都可达到数百兆甚至千兆量级，但其数据传输质量都受限于不可控的噪声干扰等因素，因此长时间传输实时性和误码率要求高的业务(比如视频流)时，经常遇到由于丢包引起的“马赛克”等业务质量下降问题。

而传统的基于网线的以太网技术，不论是100M以太网还是1000M以太网，在稳定性方面具有不可比拟的优势，适合作为异构的家庭互联组网中的核心网络。

3.4 非IP联网技术

IP技术虽然支撑了世界范围内的互联网，也组成家庭网络的核心部分，但是面都家庭中多种多样的联网需求还是存在不足。在家庭网络中，IP联网技术主要在两个方面无法替代专有的联网技术。

1)音视频接口：音视频接口主要用来连接视频输出设备、显示设备、功放机等，目前应用比较广的是HDMI接口。随着视频分辨率的不断提高，对于音视频接口的传输能力要求也相应提高。例如，支持4K视频传输的HDMI 2.0规范其信号带宽高达18Gbit/s，并且需要满足音视频接口严格的信号抖动指标，多通道并行传输等功能。除了HDMI外，业界还制定了Display Port、MHL等音视频连接标准，但没有HDMI应用广泛。

2)传感器网络：家庭内的能源计量、自动控制和安防应用需要各种传感器组成网络。传感器网络的通信速率很低，但传感设备要求尽量减少耗电需求，大部分时间都处在休眠的状态。前面提到到WLAN、PLC等通信技术较为“重量级”，无法满足传感设备对功耗的要求。目前比较常见传感网络使用ZigBee协议进行通信，ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4[5]的无线传感网协议。ZigBee协议比较简单，发射功率只有1mW，采用“休眠/唤醒”模式，因此可以做到极低功耗。另外ZigBee协议支持自组网认证和加密等功能。

4 家庭网络IP层技术

由于IPv4地址的相对稀缺，当通过PPP协议接入互联网时，运营商一般给每个家庭仅提供1个外部IP地址，而家庭内部的多个IP终端均使用内部私有地址。家庭网络IP域内的地址分配和管理一般采用DHCP方式。DHCP不但可以配置IP终端的地址、DNS服务器地址等信息，还可以根据对不同的IP终端类型的判断，采用不同的地址分配策略。

当家庭内部缺乏DHCP分配功能时，IP终端可以采用自动私有IP地址(APIAP)技术无状态的为自己选择接口IP，这时，家庭网络IP域设备仍然可以完成内部IP网络的组网，但是由于缺乏网关地址等关键信息，只能进行内部连接，无法进行外部访问。

家庭网络通过接入网关作为连接外部世界的总出口。对于桥接模式的接入网关，自身没有IP地址管理功能，需要家庭内部的路由器设备终接对公网的IP地址，并在家庭网络内部分配和管理IP地址，完成内部地址到公网地址的翻译。在这种方式下，接入网关的多个端口相互隔离，分别接入运营商不同的业务网络，不同端口下挂的家庭IP终端往往不能直接互通。因此造成家庭终端在IP层的割裂，违反了家庭联网的初衷。

整个家庭网络的IP域应该组成一个整体，家庭内所有IP终端都应可以自由的交换数据。为达到这一目标，接入网关应设置为路由模式，统一管理家庭网络内IP域所有设备的地址分配，并启用地址翻译功能进行与公网IP地址的互通。

5 结语

综上所述，家庭网络虽然体量很小，但是其中包含的业务种类繁多，对传输速率的要求差别巨大，而且没有一种家庭联网技术可以方便的适用于所有的情况，通常的家庭联网都是采用有线网络、无线网络和非IP网络混合互联的异构组网形式。例如，802.11ac速率很高，可以在视频播放设备与AP在同一房间内的环境下承载大码流的视频业务，而若存在穿墙的情况，则需使用以太网或PLC桥接等方式，首先完成房间之间的高速数据传输通道的建立，再考虑使用有线或无线的方式进行视频业务的承载。房间内的传感器设备通过ZigBee协议组网，但是无法直接与互联网通信，因此需要传感网关完成到宽带家庭网关的连接。

家庭异构网络形态相对比较复杂，特别是网络性能不易得到保证。因此，在家庭互联网新形势下的家庭联网和信息传输技术仍然值得深入的研究。

参考文献

[1] ITU-T G.9970 家庭网络通用传送架构[S]

[2] IEEE 802.11 无线局域网媒体访问控制和物理层规范[S]

[3] IEEE 1901 电力线宽带：系统架构和物理层规范[S]

[4] ITU-T G.9960 通用家庭有线联网收发器——系统架构和物理层规范[S]

[5] IEEE 802.15.4 低速率无线个域网[S]