家庭网络互联技术与数字家庭组建方案探讨

赵玉民

（广州广联数字家庭产业技术研究院，广东 广州 510006）

责任编辑:许 盈

0 引言

现在，家庭大都安装有电视、电话和各种家用电器，当采用计算机上网时，则家居需装ADSL的Modem或接入宽带的高速以太网线（Internet），当家有多台PC机上网时，还需装有线/无线以太网的路由器（即简单的家庭网关），这样就构成了简单的数字家庭网络。所以，现在各个家庭的布线有:电信的电话线、宽带Inter⁃net的网线和广播电视的电视电缆，即3种网分别安装的线路，再加上电力线（Power Line）共4种线路。目前家庭网络的介质，分别向电话线、电源线及无线网络等方向发展，但也有厂商为求得更佳效能，发展必须全新布线的家庭网络系统。

数字家庭（Digital Home）概念是近年消费电子领域的开发热点，已成为各大厂商争夺的焦点。数字家庭将计算机、通信与消费电子设备（3C）融合进家庭中，是实现家庭信息化的一种新概念，可为家庭提供集成的通信、电视、安全防范、家居管理、家电控制等功能。数字家庭涉及的主要技术是家庭联网技术与家庭网关技术等，主要解决两个问题:

一是解决家庭内部设备组网问题，建立智能家庭网络，将原来分立的电话、电视和PC机上网等信息服务系统有机地结合在一起，即电信/电视/互联网三网在家庭内的融合，实现带宽共享并在家庭范围内实现多媒体和娱乐资源的共享；同时集成现今智能家居功能，将与家庭生活密切相关的自动抄表、可视对讲、安全/防盗报警系统、家电控制与家居管理系统等各子系统组合起来，进行集中的信息采集、监测和控制、调节，形成以家庭网关（RG）为中心的统一智能家庭网络。

二是解决智能家庭网络与外部电信网/Internet/电视网三网的宽带互联与接入问题。这是通过家庭网关来实现的，家庭网关起着承上启下的桥梁作用:它一方面与外部三网互联，使整个家庭网络与外部网络互联，实现家庭内部设备与外部网络的互通与信息交换；另一方面,它对下连接家庭内电话、电视、PC及各种终端组成家庭网络，又是家庭网络的核心，是家庭信息网络和安全及电器自动化的监控管理中心，使家庭用户可以获得各种信息服务，并使信息与媒体在家庭内部终端之间充分共享，是家庭娱乐的多媒体中心。

其中，解决家庭内部多种终端之间的物理互联的组网技术是构建家庭内部网络的基础设施，是支撑数字家庭丰富应用的底层技术，是数字家庭最为关键和最困难的部分。只有家庭网络化（特别是无线网络化）才是未来数字家庭发展的唯一方向。因此，本文下面重点讨论数字家庭网络的组网与互联技术。

家庭信息化将是三网融合发展的源动力，是三网融合发展的灵魂[1]，数字家庭网络是国家“十一五”提出的推进三网融合在家庭环境下的具体体现和起点，作为宽带网络的延伸和宽带增值服务的扩展，如何根据各家各户的实际情况和需求研究经济实用而切实可行的数字家庭网络组建方案，发展技术体系统一的家庭网络，探讨推进“三网融合”的有效途径具有重要意义，以便为广大家庭用户提供更为个性化、专业化、多样化的广播电视和信息服务，有利于推进国家信息化、社会信息化和家庭信息化建设。

本文下面首先概括介绍数字家庭的概念和对网络组建的需求和技术指标要求，然后简要介绍现今国内外数字家庭网络技术的研究及其发展、应用状况，对各种技术方案进行分析、比较；最后探讨了其最优的互联方式与技术方案，重点探讨了既保障数字家庭多种终端互联组网以支持多种业务应用与信息共享、高吞吐量以传输诸如高清晰电视等高质量音视频内容、高QoS以确保流畅不间断的数据传输，同时又保障联网布线/改线最少、成本最省、使用简便的技术方案。

1 数字家庭网络的概念和对组网的要求[2-3]

数字家庭的概念中，设备和网络是两个不可缺少的组成部分，设备是最终功能的直观体现，网络是确保数字家庭功能实现的基础保障，关系到数字家庭诸多功能能否实现。为此，下面首先介绍数字家庭网络概念，然后从用户需求出发，讨论对组网的要求。

1.1 数字家庭网络的概念[3]

数字家庭网络最终的发展目标是:一是完成家庭内部各种设备组成网络，实现资源共享、协同工作；二是实现与外部网络（电信网/互联网/社区网）的连接，实现家庭内部设备与外部网络信息交流的目的，使用户能获得丰富多彩的业务服务和应用享受。

数字家庭网络概念的提出涉及到了电信、家电、IT等行业，从提供业务/服务的角度涉及到信息服务提供商、电信网络运营商、小区物业等角色，从产品的角度来说，涉及到了通信网络设备和终端设备制造商，IT行业的芯片提供商、软件提供商和终端设备制造商以及家用电器制造商，这些行业对家庭网络和技术标准有各自的理解，目前正在走向融合，正朝着提供话音、音视频、数据整合业务的趋势不断发展。究竟哪项技术获胜，依赖于其技术的突破和广泛应用，并且是由应用需求牵引技术和产业的发展。

IT/家电行业最早提出家庭网络的概念，认为数字家庭网络指的是家庭的信息设备、通信设备以及消费电子设备，包括PC、电话、电视机、DVD等组成的家庭内部网络，可在这个宽带网络之上获取高速上网、VoIP、电视以及各种以数字娱乐为主的应用。

通信行业认为家庭网络用户是从普通的电信业务用户和企业用户拓展延伸出来的一种用户群。数字家庭网络与电信网络进行连接，通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸到家庭，它不强调家庭内部各终端设备的互联，但能实现对外出口带宽的共享。

社区/居民小区物业认为家庭网络应与小区自建的网络相连，是智能化小区的概念延伸到家庭，支持自来水、煤气、电力、暖气的远程集中抄表。可提供小区和家庭安防，直接将安防信息和警报发给所在小区警备室、街道派出所、公安分局等。接入小区服务、社区医院等系统，只要用户触发按键，位置信息将自动发送到小区急救平台或者相关社区医院。

应该说，IT行业、通信行业、家电行业都在谈数字家庭，不同的行业都在期待数字家庭能够帮助各自的产业朝着健康的方向发展。

目前，IPTV业务被认为是数字家庭网络中的一个主要应用，数字电视机、IP机顶盒等终端产品成为家庭网络设备中的主要消费市场。

1.2 数字家庭组网的需求分析

数字家庭网络最主要的困难和关键的技术难点是绝大多数的家庭网络使用者对网络的要求是“既要马儿跑，又要马儿不吃草”的苛刻要求:

1）低成本、低复杂度、易于使用和三网融合的要求。绝大多数消费者不会愿意花大钱投资网络，他们希望最好是不要布线，即插即用，或尽可能地简单布线、便宜、安装容易且使用简便，并要求耐用，更不能有后续的复杂维护和维修。

因此，对现在已建成的家居要求尽可能不重新布线施工，充分利用现在已有的家庭内部布线或无线物理介质进行家庭网络的建设；对将要建设的未来智能家居要求尽量不要布线或至少减少布线及其种类，从而尽可能降低家庭为布设高速网络进行复杂施工和装修的费用与麻烦。这实际上是提出了在家庭范围内实现三网合一和业务融合的需求，实现3C（计算机、通信和消费电子设备）的融合，以节省家庭开支，应用简化便利。

2）功能/实用性（业务能力）。从现在大多数家庭的需求来说，主要用途一是收看广播电视，即现在的“机顶盒”功能，更进一步希望得到高清、3D电视和互动电视等高端信息化服务，适应国家关于推进三网融合总体要求的正在建设的双向、交互、多功能的新一代数字电视网络的要求，为家庭用户提供更为个性化、专业化、多样化的广播电视和信息服务。二是提供通信、上网的服务，能支持不同终端，包括无线/有线、固定/移动，也支持带宽的分享，保证能将家庭内不同的数字多媒体设备（如台式PC、笔记本计算机、IPTV以及PS2或Xbox游戏机等）在同一时间段内通过不同的网络联到互联网上，从而获得遍及整个家庭的涵盖通信、数据、音视频与娱乐的更广范围的服务。三是进一步发展的要求，希望能提供自动抄表（三表）、家庭安全、消费电子设备（CE）监控与管理等需求。

因此，整个数字家庭网络涉及三大网络:第一是多媒体网络，第二是信息网络，第三就是控制网络，即要求构建一个家庭网络平台，它是建立家庭信息网络和控制网络融合的基础，不仅将宽带网连接到家庭，同时通过家庭网络平台将住宅内的电话网络、电视网络、计算机网络以及家庭自动化监控网络合理地融合在统一的家庭网络平台中，要求能承担包括语音、数据、多媒体、高质量音视频以及控制和管理等传输业务和应用，这是构建家庭网络的根本目的和要达到的目标。

3）带宽是实现上述功能和服务需求的必要条件。在数字音视频、娱乐应用和信息服务逐渐成为数字家庭的主要应用方向的情况下，对大带宽（网络传输速度）、支持多种多媒体应用的要求将使其成为重要指标。

人们经常应用和关心的主要是音视频网络和为用户提供数据业务服务的信息网络，多媒体信息的分发和传输，特别是对高清数字电视的传输和双向业务需求，要求能够提供高吞吐量以传输诸如高清晰电视等高质量音频、视频内容，目前情况下其最低的门槛应超过100 Mbit/s；同时也希望兼容家庭安全、抄表、控制等低速数据的窄带需求，而无需另来一套诸如ZigBee的设备等。

4）服务质量（QoS）是实现上述功能的充分条件，同样也是消费者关注的重要指标，即质量、性能保证。在家庭网络中，必须支持各种需要大宽带的多媒体内容。同时像电视、DVD播放机等均为连续的媒体流，要求同步性，因此QoS的效能也相当重要。要求必须提供优质的QoS，以确保流畅的、不间断的数据传输，保证家庭网络在传输视频、音频时能忍受的最低限度干扰的能力，以避免应用中出现传输中断、信号时好时坏，保证稳定性、可靠性。

除上述4项需求之外，下述几项要求对数字家庭的应用也是十分重要的，是家庭组网和构建网络时必须考虑的因素:

1）网络的稳定性和可靠性。因为家庭应用，其稳定性和可靠性的重要性是不言而喻的，例如电视机的MTBF不低于10000 h。可靠度还指，必须能够隔绝来自家中电器设备的干扰，如微波炉以及无线电话等。

2）扩充性。由于数字家庭CE随着年代不断更新，同时家中连网的设备会越来越多，因此为避免重复投资，扩充性就成为一大考虑。

3）标准兼容性。要获得主流市场的认同，家庭网络标准是不可或缺的要素。此外，避免买到即将过时的产品，必须兼具互通性（Interoperability）与未来的应用兼容。

4）成功的数字家庭网络组建方案要成为统一标准的技术，为能以最低的成本、最省的时间、精力进入快速批量化生产，除上述标准化、模块化、系列化外，还需要获得众多芯片制造厂商和设备厂商的支持。

2 现代家庭网络互联技术的研究和发展现状

为了尽可能不对现在已建家居重新布线施工，充分利用现在已经有的家庭内部布线或无线物理介质进行家庭网络的建设；对将要建设的未来智能家居要求尽量减少布线及其种类，尽可能降低复杂布线和装修的费用与麻烦。因此，在数字家庭组网中，国内外各公司厂家对于RG内部与各设备间的互联的技术研究结果为:一是利用现在家庭已有布线的有线传输技术，包括五类线（以太网线和电话线）、电力线（PLC）、有线电视同轴电缆等；二是采用不需布线的无线通信方式，如WiFi、ZigBee、蓝牙和无线UWB等；三是有/无线混合方式等。每种技术都有其特点和适用的范围，也有其局限性和缺点，没有十全十美的技术和方法。图1概括了现今已通用的和新开发的具有广阔前景的几种家庭网络传输技术与方案，下面根据文献[4-7]分别概括其技术研究、发展与应用情况，并进行比较分析。

图1 现今应用和开发的几种家庭网络传输技术与方案比较

2.1 有线组网与互联技术[8-9]

家庭有线组网方式均采用房内已有的电力线、电话线/网线（双绞线或五类线）或电视电缆。根据所用布线的不同，有基于电力线、五类线或电视电缆的有线组网方式和技术。

1）基于五类线的组网与互联技术

这是基于家庭的电话线、以太网线传输，通过在双绞线上调制信号承载数据，提供家庭所有设备的组网与互联网技术。RG内部与各设备间的互联最通用的连接方式是以太网，可以采用以太网的接口和五类线进行互联。

（1）以太网技术

在目前的网络世界里，Ethernet是一种非常普及、市场占有率最高的连接技术，所有计算机联网（局域网）均采用以太网线。它基于IEEE 802.3相关的一系列协议，基于IEEE 802.1p的QoS机制，以双极性（差分）信号形式传输以太网基带信号（0.5～25 MHz），可提供从10～100 Mbit/s甚至千兆的传输带宽。以太网技术相对比较简单，在目前的家庭设备互联中是最简单也是最普及的，通过家庭网关的配合，可以满足语音、视频、数据多种信息流的QoS要求。但以太网线不是一种共享式的总线，在家庭有多台计算机应用时需增加家庭Hub（路由器），并对家庭布线有较高的要求，存在调整灵活性差、节点不具备移动性等问题。

（2）Home PNA（家庭电话线网络联盟）技术[5-7]

Home PNA于1998年由3Com，AMD和IBM等11家公司共同建立，到2000年，已经有150多家公司参加了这个联盟。其目的是利用现有电话线路传输宽带数据信号，无须重新布线，以类似于以太网的技术满足用户宽带上网的要求，提供一种低成本高宽带网络的解决方案。该技术采用以太网CSMA/CD协议、频分复用技术，实现上网的同时不会影响电话使用和收发传真。

1998年HomePNA1.0标准颁布，其上下行速率均为1 Mbit/s，最大传输距离为150 m，可连接25个设备。1999年HomePNA2.0标准中的上下行速率均为10 Mbit/s，最大传输距离为300 m。2005年5月，国际电信联盟（ITU）推出了数据传输率达128 Mbit/s，并可扩展到240 Mbit/s的HomePNA3.0规范。2007年3月，ITU宣布HomePNA3.1规范，这是目前唯一国际承认的家庭网络技术标准，允许服务提供商通过家庭内部电话线和电缆以最高320 Mbit/s的速度提供高速的三重业务整合等互联网服务。然而，HomePNA的推广要求安装电话插座，这无疑是一个障碍。

2）基于PLC的组网与互联技术——Home Plug技术[5-8]

电力线遍布城乡和家庭的各个房间，其覆盖面是任何网络无法比拟的；PLC通过电力线传输数据只需电源插座内嵌入调制解调器即可通信，不需要增设更多的线路及设备，使用简单，成本低廉，有利于信息资源共享和家电上网。

基于PLC的联网由Home Plug电力线联盟、通用电力线联盟（UPA）和消费电子电力线通信联盟（CEP⁃CA）等行业组织推动，各组织根据其特定技术制定了内容广泛的标准，并努力将自己的标准向全球推广。他们均是将家庭中的电源线作为家庭网络基础设施，通过覆盖于整个家庭的电源线，进行家庭内部音频、视频、数据业务的传输。其中家庭插座联盟组织主导的基于电力线的传输技术——Home Plug技术，用户只需简单地将Home Plug适配器插入一个标准的电源插座，然后将基于以太网、USB、WiFi标准的计算机或其他设备（如宽带路由器）与该适配器连接，则家庭内这些设备之间将立即能通过电源线建立网络连接。Home Plug技术采用类似以太网的传输机制，工作频率为2～28 MHz，采用OFDM技术，在其频带范围内采用917个子载波和BPSK～1024QAM的调制方式，使物理层传输速率达到200 Mbit/s，信息速率可达150 Mbit/s；具有Turbo卷积码前向纠错、通道预估和自适应调制的能力。MAC层采用TDMA和CSMA/CA（载波侦听多址访问/冲突避免）协议，用于支持高QoS连接和分优先级的业务，并且专门考虑AV高带宽、低时延的要求。

家庭插电联盟自2000年成立以来，陆续制定了一系列的PLC技术规范，包括HomePlug 1.0，Home⁃Plug1.0-Turbo，HomePlug AV，HomePlug BPL，Home⁃Plug Command＆Control，形成了一套完整的PLC技术标准体系，基本上覆盖了所有电力通信技术的应用领域。

HomePlug AV是PLC有关音频/视频宽带家庭网络的技术规范，它支持多个数据和视频流的分配，包括遍布整个家庭的高清晰度电视（HDTV）和标准清晰度电视（SDTV），支持家庭娱乐应用，包括HDTV和家庭影院。

目前电力线联网还未获得广泛接受，原因在于人们对其提供的通信质量还有疑虑，除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外，噪声是影响电力线数据可靠通信的关键因素。另外由于高速电力线通信需要在电力线上注入高频信号（2～30 MHz），有可能给其他通信系统带来电磁干扰，因此高速电力线通信电磁兼容标准的制定是制约其在各国快速发展的主要因素。

3）基于电视同轴电缆的组网与互联技术[9-11]

分析上述基于五类线（LAN/电话线）、电力线的各种互联与组网技术方案，其信号传输特性（包括衰减、幅频、相频等特性）、辐射屏蔽特性及EMC等，肯定不及专用的有线电视电缆的传输特性好。电视传输用的屏蔽电缆，具有简单、稳定、安全及低费用等优点，适于很宽频带信号的传输（5～1000 MHz以上），衰减小、泄漏小、屏蔽好、幅频特性平坦等。因此，上述五类线、电力线的各种互联与组网技术越来越多地采用同轴电缆传输，向同轴电缆的技术发展，如MoCA技术、HomePNA over Coax、Homet Plug AV 和 WiFi over Ca⁃ble等一样，通称为EoC（通过同轴电缆传输以太网）。按其标准与非标准来划分共可分为10大类，其中标准的有基带EoC，HomePNA3.0，MoCA，同轴WiFi over Ca⁃ble和Homet Plug AV；非标准的有BIOC，UCLINK，Ca⁃ble—BAS，EPCN和Cabel RAN（见图2和表1）。目前，P1901和G.hn是其关注度最高的技术。

图2 基于同轴的家庭网络各类EoC系统比较

表1 基于同轴的家庭网络各类EoC系统的分析比较

由上可知，Cable拥有较宽的频率范围、高带宽等特性，可提供高质、高速的数据传输，提供真正的多媒体功能；同轴电缆工作在一个受保护的频段，电缆线路始终通畅（不用拨号，没有忙音），在同轴电缆网络中基本不会受到干扰；多用户使用一条线路（包括完整的电视信号）等。

EoC技术的主要优势有:安装简单，即插即用，快速部署，无需重新布线，无需扰民；体积小，重量轻，适用于家庭、楼道和小区安装；安全可靠，运行稳定，经济实用；TV接口可兼容所有主流有线电视设备如分路器、电视机、光发机等；Data接口可兼容所有以太网设备如交换机、路由器、IP机顶盒、PC等；内嵌嵌入式系统，可通过http方式登陆进行各种管理设置如设置IP、密码等；支持全双工、半双工模式；支持10/100（Mbit·s-1）自适应。目前大部分EoC技术都能提供双向100 Mbit/s以上带宽，抗噪声干扰能力远高于Ca⁃ble Modem，可在恶劣的网络环境下工作；支持IEEE802.310Base-T(以 太 网 ，10 Mbit/s)；支 持IEEE802.3u 100Base-TX（快速以太网100 Mbit/s）。

2.2 无线传输与组网技术[12-14]

无线传输的最大优点在于摆脱了线缆的束缚，因为用户可能需要添加、更换和升级电器，不同的接口和线缆是一件令人头疼的事。所以，无线家庭网络是未来的一大发展趋势，它可以满足用户对于家庭网络的灵活性、连续性等性能的需求，解决安装有线系统所需的高成本和不方便等问题。可用于组建家庭网络的无线技术，主要有 WLAN（WiFi），Home RF，UWB 和 60 GHz等宽带的高速率(或相对高速率)无线技术，和Bluetooth，DECT，IEEE 802.15标准、ZigBee和Z-Wave等用于组建家庭监控网络的低速率无线技术。

1）WLAN（WiFi）技术[7,11,13-14]

无线局域网（WLAN）技术适合无线家庭网络应用的成熟技术，现今许多上网家庭都购置了无线WLAN路由路，可接入电话网或宽带网，有4个以太网口，用于多台PC机同时上网，还具有WLAN无线发射用于带无线网卡PC或笔记本上网，实现家庭接入和共享资源。目前已普及54 Mbit/s码速率，也有≥100 Mbit/s商品。随着802.11n的普及，未来WLAN将成为视频流传输的载体，尽管有线技术实施起来更可靠，但是在QoS和吞吐量方面逐渐得到改善的WLAN，由于具有移动性将会使其占据优势地位。802.11n平台不但拥有300 Mbit/s以上的速率，更重要的是，它是首个能够同时承载高清视频、音频和数据流的无线多媒体分发技术。此外，802.11n产品还提供并发双频操作，能为宽带多媒体应用提供更多的信道容量。

但WLAN潜在的问题是:一是覆盖范围存在隔墙阻碍问题；二是有可能导致串扰，丢失数据，以及不稳定、安全性问题等。

2）超宽带（UWB）技术[7,11,13-14]

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种使用1 GHz以上频宽的先进的无线通信技术。虽然是无线通信，但其拥有100 Mbit/s～2 Gbit/s的数据速率。UWB的特点在于直接按0或1发出瞬间尖波形电波，由于只在需要时发送出极短瞬脉冲，因而耗电极省，且在传输手段上有很大优势，具有高吞吐量，能够支持播送高质量视频的多通道流，有效改善家庭用户的安全性，非常适用于创建一个无线家庭多媒体网络。

UWB的最大问题是难以解决的传输距离、速率和抗干扰问题，经过数年的时间仍未见任何进展，整个过程几近停滞。因此，围绕UWB的标准之争从一开始就非常激烈，曾经有二十几个标准参与竞争，目前只剩下了两个，它们是来自Freescale的DS-UWB和由TI倡导的MBOA。实际上UWB是个完整的架构，DS-UWB和MBOA是构成其最底层的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC），在其上面是WiMedia的汇聚层，在WiMe⁃dia汇聚层的上面就是应用层面的无线USB、无线1394和其他的应用环境，这些层多已被IEEE 802.15.3a确认。采用WiMedia UWB标准的WiMedia通用无线电平台是实现传输速率高达480 Mbit/s（更高的传输速率正在开发中）的无线个人局域网（WPAN）的基础。

3）60 GHz无线技术[7,11,13-14]

60 GHz无线技术是由LG、松下、NEC、三星电子、索尼以及东芝公司组成的WirelessHD小组推动的组建家庭网络的另一无线技术。这种技术使用尚未被批准的60 GHz频段，在10 m范围内，以高达5 Gbit/s的速度在家庭内的娱乐设备之间传送未经压缩的高清视频和音频数据。2008年1月，WirelessHD 1.0规范发布。

但WirelessHD技术在许多方面都还处在理论与实验室阶段，其理论上的最高传输能高达20 Gbit/s，但实际上第一阶段只能达到5 Gbit/s；理论上能够进行非视线内（NLOS）的穿透性传输，但目前只能提供视线（LOS）传输。该新兴技术将同已有的1394FireWire，HDMI、802.11n以及UWB等技术进行竞争。

2.3 混合的有/无线传输技术(Hybrid Wireless/Coax)

从以上的有线和无线组网方案可知，两者各有优势和不足，所以现今又出现了第三类即二者混合，采用有线加无线的构建方案。这样可以在不冲突的前提下集两者优点于一身，而又可以通过互补来弥补其不足。可以看到，未来家庭网络将维持向有线搭配无线技术的方向发展。虽然无线传输技术近年来多应用于家庭网络，但以空气作为传输介质存在比较高的不稳定性，有线传输由于被缆线包覆，更能保证传输质量。因此未来家庭网络传输技术将仍以有线为主，两者以共存的型态相辅相成，皆是家庭网络的构成要素。

不同传输技术将在家庭网络内互相协作，共同发展，未来的家庭中可能会采用两种或多种传输技术的组合。现今已提出且成熟的有:无线局域网（WLAN）有线/无线传输的技术，即WiFi over Coax，新开发的同轴电缆1394或USB技术等。

1）同轴电缆WiFi技术方案（WiFi over Coax）[10-11]

WiFi over Cable是一种基于802.11系列标准无线网络技术的Cable传输方案，可使用户实现无线接入和共享网络资源。作为一种无线信号，WiFi信号在Cable中传输时损耗小，覆盖范围大，不存在干扰和被干扰问题，同时具有较好的安全性。因此，WiFi同时在Cable和空中进行数据传输。

从上述家庭WLAN网可知，WLAN适于家庭应用，但受隔墙、障碍物等影响，传输质量、稳定性等无保障。使用WiFi over Cable后，通过Cable穿墙引入房间，同时通过空中传输实现房间内覆盖，这样既保持了无线连接的方便易用，又通过Cable在保持高速率、高质量的情况下增大覆盖范围，解决了干扰和安全性问题。

WiFi over Coax不同的厂家实现的方式略有不同，主要差别在于使用的频段不同:直接采用2.4～2.5 GHz的S频段[9]或下变频到1 GHz以下的频段工作。因为在我国的电视电缆的工作频带是5～1000 MHz，当直接采用S频段工作时，会使电缆和无源分支分配器的损耗很大，更换2.5 GHz的分支分配器会导致工作量大、成本上升、器材浪费。因此提出采用下变频解决方案，将工作频率降至1 GHz以下[10-11]。

Pulse-Link 公司采用 C-Wave（Continuous Wave）UWB技术支持在现有的家庭同轴电缆上实现高达800 Mbit/s的数据传输速率的新1394标准(与该技术的最高速率相吻合)。该数据传输速率大大超过了当前无线局域网技术所能提供的速率。同时，也明显高过当前使用同轴电缆方案的MoCA技术。同轴电缆1394技术将可能作为主干网进行服务，通过使用传统1394线以及连接器的设备来连接1394设备集群或者信息孤岛。

2.4 现代数字家庭网络互联技术的发展趋势

通过上述各种家庭局域网解决方案的优点与不足的介绍与分析，可以清楚地看到，实际随着技术的发展，家庭局域网种种解决方案的实施中有两个重要的主流发展趋势:一是3种有线方案均朝专用的电视电缆主流方向发展；二是向无线的主流方向发展。除此以外，家庭联网的另一个重要趋势是带宽将不断增长，以满足视频流应用的需求。所以，下面重点讨论基于同轴线传输的几种宽带方案和基于WiFi无线传输方案的发展和趋势。

1）基于电视电缆传输的有线互联方式发展趋势[10-11]

从上述分析可知，3种有线方案中以有线电视电缆最具优势，由于同轴电缆具有宽频工作范围、高带宽、无干扰等优秀的特性，因而可把以太网数据与有线电视信号馈入同一电缆互不影响地传输，使用户在只使用有线电视网络的情况下既能接收到有线电视信号，还能拥有独享宽带的双向网络接入，承载以太网、IP业务。同时，我国推进三网融合和有线电视网络双向化改造也是作为对现有的单向有线电视网络进行双向改造的一种解决方案，通过同轴电缆传输广播电视业务、使用IP协议实现双向数据业务，支持电视广播、宽带互联网接入、语音服务、视频点播、网络游戏等业务。

因此，基于Cable的高速家庭网络引起了许多公司和厂商越来越多的关注，成了现在三网融合、家庭组网一个重要发展方向。“同轴以太网”EoC（Ethernet over Coax）是当下双向网改造中最热门的技术之一，成为了双向网改造技术中的“宠儿”。它不仅可以实现家庭内部设备互联，也可以在接入网建设到楼道后用于最后100 m接入，实现有线电视网双向化改造。采用电视电缆传输的组网方案，包括基于高频段传输的MoCA、HiNOC（安排在865 MHz以上频段）和基于低频段传输的HomePlug、Home PNA(安排在5～65 MHz频段传输)等方案。另外，基于电力线(PLC)传输方案HomePlug还可考虑直接改用同轴线的传输方案(itenon现成技术与产品)，其传输损耗肯定小于电力线的衰减，既不受人干扰也不干扰他人。

2）无线(WiFi)传输方式的发展趋势[12-14]

WiFi技术方案（WLAN）采用802.11b/g/n标准，是一种经广泛验证和规模使用的无线技术。许多专家经过对这几种技术的对比和分析后，认为802.11x在成本和多厂商支持方面显示出了优势，综合比较中最具竞争力。随着802.11系列向下一代802.11n演进，带宽将达到320 Mbit/s，并且将和MIMO进行结合，在覆盖范围上将得到显著的改进。在IPTV部署过程中，为避免布线的麻烦，同时提升网络部署灵活性与便捷性，采用无线WiFi传输的方式是未来发展的方向。

从目前以PC共享上网为主要应用模式的家庭网络服务来说，WLAN（无线局域网）是一种比较有优势的技术，市场数据也显示WLAN目前在家庭中的占有率也在迅速增加。目前，越来越多的终端内置了WLAN模块，同时越来越多的消费类家庭电子设备，无论是固定的还是便携式的，都集成了WLAN功能，成为数字家庭网络环境中的新成员。像掌上游戏机、IP语音电话（VoIP）系统、便携式媒体平台（如MP3与DVD播放器）、IP手机以及数码相机等设备的制造商通过实现WLAN连接，为用户带来更出色的体验效果。

尽管802.11n解决了部分问题，但仍难以完全解决所有问题，尤其难以解决无线传输的穿透墙壁等障碍物的阴影效应问题。因此，需要配合采用有线连接技术来协助WiFi技术实现在整个家庭内传输视频内容。

3 现代数字家庭网络技术方案探讨

在现代数字家庭网络的建设和改造过程中，必须根据我国三网融合和广大用户的需求，考察、分析各地网络状况和技术特点，各类家庭的网络布线与结构现状，并考虑未来三网融合的发展，同时仔细考虑预算与可操作性等方面的要求，选择与之相适合的建设和改造技术方案，搭建适合各类消费者家庭需要的局域网网络环境，使其具备宽带、双向、多功能的承载能力，使家庭网络涉及的计算机、通信、家电等不同领域走向融合，承载包括IPTV，VOD，VoIP，高速上网等宽带业务应用。据此，下面探讨和寻求家庭组网之最佳或次佳传输媒介与技术方案。

3.1 现代数字家庭组网的需求和现有技术方案分析

现在的家庭组网完全取决于应用需求，包括业务与通信覆盖、速率、QoS等要求，同时考虑如成本、功耗、安全性、共存问题等各种因素。主要涉及采用何种连接技术和采用何种网络结构等技术。为此，下面从应用需求开始，分析、比较上述各种技术的优劣，进而探讨和研究家庭组网之最佳或次佳传输媒介与技术方案。

1）三网融合和用户的应用需求

根据上述介绍的应用需求，同时也根据国家关于推进三网融合的总体要求，首先应依据各自的业务规划，充分利用用户已有的资源，采用适合信息传输与组网的互联技术，使数字家庭网络具备承载模拟和标准清晰度数字电视节目、高清晰度电视、广播、视频点播、宽带数据接入、语音服务等多种业务的能力；同时能够满足数字家庭用户当下最关注的功能/实用性（业务能力）指标，及实现这样功能/实用性所要求的带宽、覆盖范围、服务质量(QoS)、成本等4个方面的需求，并将之作为数字家庭网络的统一标准。同时，从应用方式来看，要满足固定的应用、移动的应用，要满足于网间的迁移和三屏融合。

2）现有各种技术方案的分析、比较

根据上述衡量指标，可回头分析、比较上述已应用和众多厂家推出的在不断改进的各种底层网络技术，具体情况见表2。

3.2 方案考虑的思路

1）组网方案选择的思路

从以上对各种组网传输技术方案的分析、比较，可以看到:当只选择上述任何一种方案时，均无法满足消费者的所有需求。例如选择各式有线（电话线、同轴线或网线）方案，尽管这些有线技术在带宽、速度、服务质量等方面具有优势，但使家庭中所有移动或便携设备连接受到限制；但若选择无线，虽然网络组建快捷简便、移动灵活，不需布线，且以家庭多媒体信息、PC共享上网为主要应用模式的家庭网络服务来说，WLAN是一种比较具有优势的技术，但无线技术在家庭应用的实际环境中存在最难解决的问题——安全覆盖。因为这些缺陷是有线/无线单一方面所固有的，难以克服，因此在这里考虑和选择方案时，必须考虑这二者的结合（或融合）方案，即以有线为基础，以无线来对家内实现覆盖，二者互补来进行完善。这即前面2.3节介绍的有线+无线技术方案，是未来家庭网络传输技术的发展方向和趋势。

表2 家庭网络主要传输技术方案的分析、比较

这样组网思路类似现在的移动通信网的思路，由基站进行无线覆盖，基站间有线互联而形成覆盖全区、全省和全国的移动通信网。

2）组网传输媒介与技术方案选择的思路

其次，根据前述消费者需求，主要考虑家庭组网的具体传输媒介与技术选择。根据上述组网思路，主要是选择何种介质联网和采用何种网络拓扑结构等网络技术，涉及选择何种有线介质作为基础设施的传输介质，和选择何种无线技术来进行室内覆盖。

一是有线选择，有电话线、电力线和电视电缆3种家中已有线路之选，每种又有各种技术方案（标准）可选，均为充分利用家中已有布线来实现宽带、双向和多功能业务。很显然，选择家中电视电缆具有较明显的优势，因为它与上述扩展业务非常兼容，专一，授权使用，不干扰他人也不受他人干扰，具有比其他两种线路更多的优势。所以首先的选择是有线同轴电缆，将之作为家庭网络基础设施，充分利用家中现有的有线电视网络布线和音视频业务的优势。

另外，近年电力线通信技术的迅速发展并在技术上取得了突破，因此可选择如HomePlug AV电力线作为家庭网络基础设施，充分利用家中已有的电力线布线资源，作为另一种不需布线的既方便并具有一定优势的选择。

二是用于室内覆盖的无线媒介的技术方案选择，如前述的WiFi，UWB和60 GHz等，但因基于UWB技术的工作频率很高，频带很宽，不能使用电视电缆传输，尤其是无线USB和无线1394存在技术不成熟等问题。因此，由UWB发展的无线USB和无线1394以及60 GHz方案是正崛起的有前景的方案，有待进一步发展，目前可选的无线介质有两类:一是WiFi，二是基于电视电缆传输的其他方案。

首先，无线媒介技术方案选择最为成熟、最具技术优势的应属WiFi技术的方案，WiFi技术被认为最有可能成为最终获胜者，是发展的方向。此方案是成熟技术，已在前面2.3节进行了阐述，有降频和不降频两种方案。国外T1、国内武汉“牧马人”等公司采用不降频、直接用Cable承载2.4 GHz的WiFi信号的方案[9]，且“牧马人”采用更换超G分支器/合路器解决不变频的传输损耗大的问题，但带来更换成本与施工的问题；采用降频（900～1000 MHz）方案（主要支持厂家为Athe⁃ros）可利用原电视线路而损耗不大，但带来非标问题。

其次，基于电视电缆传输的其他方案，包括MocA、HiNOC和HomePlug、Home PNA等，从原理上均可使用电缆传输到房间后接天线发射，采用无线方法来覆盖房间。这方面的工作，国内外尚无人提及，更无人实现，下面将进一步进行探讨与研究。

综上所述，采用有线+无线的组合方案，以有线为基础，配合无线来协助实现在整个家庭内的安全覆盖、稳定可靠传输视频内容，二者互补完善，在不同的场合既保持了无线连接的方便易用，具有移动性和可扩充性及升级能力，又可通过Cable在保持高速率的情况下增大覆盖范围。这样由有线构建数字家庭网络的基础，将家中计算机、电视机和各类家电等固定设备与家庭网关（RG）直接相连；同时采用无线实现家内无缝覆盖，将家庭如笔记本、抄表、安防监控等移动/便携设备接入到RG，使PC、通信和消费电子三大领域进行融合，使家庭网络无缝覆盖所有设备并具有宽带、双向、多功能的承载能力。

以下先介绍对基于同轴电缆WiFi的有/无线混合传输方案的进一步扩充想法。

3.3 基于有线传输的无线覆盖技术方案探讨

前述基于有线（包括五类线、电力线和电视电缆）传输的所有方案，因采用有线连接入网设备，用直接适配的插座进行信号分路并转换成以太网口（RJ-45）。因此，为了使移动/便携设备能方便接入，需增加室内无线覆盖。这有两种方案实现室内无线覆盖:一是转换为WiFi技术，即上述方案均可考虑在网关处或信号传输到房间后的插座内的以太网口处插入连接WiFi的AP和天线进行发射，需入网的设备只需配置无线WiFi网卡，即可实现室内的无线覆盖；二是上述有线传输馈入房间后，在其插座处直接分路、插入一个适配的无线辐射器(天线)，需接入的移动/便携设备配置一个相对应的天线，则可接入家庭网络。例如基于电力线（PLC）传输方案只要考虑在传输到房间后插入适配的电力线辐射/接收器对，则可将要入网的移动/便携设备接入家庭网络，实现无线覆盖试验，有利提高产品竞争能力。这里的关键和主要问题是:前者需增加WiFi的AP设备，但为标准的成熟产品；后者的工作频带正处于2～30 MHz的短波频段，该短波频段太过拥挤，既可能干扰家庭如短波收音机的工作，也易受大功率短波干扰，需认真考虑频段的选用问题。

对于采用电视电缆传输的组网方案，包括基于高频段传输的MoCA、HiNOC（安排在865 MHz以上频段）和基于低频段传输的HomePlug、Home PNA（安排在5～65 MHz频段传输）等方案，具有独特的优势。均可采用下述同轴WiFi方案一样的方案，实现无线覆盖。此时，其技术方案均基于原同轴线传输技术方案，完全不用改变，只传输到房间并将CATV分路后，原采用有线电缆接头连接到入网设备，现将其分路并插入天线辐射/接收器即无线连接即可。因此，上述所设想技术方案，整个系统设备基本不变，唯一的变化是需设计相应频段的宽带、高效天线并尽量小型化，并需要重新估算传输路径损耗进行电平设计。下面以基于同轴电缆WiFi（WiFi over Coax）的技术方案为例来具体说明。

3.4 基于同轴电缆WiFi（WiFiover Coax）的技术方案

基于同轴电缆WiFi（WiFi over Coax）的技术方案是技术很成熟且富于竞争力的有前景的方案，但现在均是针对802.11b/g的24 GHz方案。从为百姓设计一个将来能中长期应用的网络的想法出发，对之进行一些改进:一是频段扩充，针对802.11a和802.11n除2.4 GHz外还增加了5 GHz及MIMO功能，此时仍能利用电视电缆传输的技术方案考虑；二是功能扩充，扩充了能兼容传统ZigBee功能的传感器网络功能，即实现数字家庭的另一个属于控制域的传感器网络范畴任务，涉及安全监控、自动抄表、远程控制和维修以及各种电子电气设备的控制等功能，这样扩展了系统的功能与能力，提高了性能，有质的飞跃。

图3 基于同轴电缆WiFi（WiFi over Coax）的家庭网络构成与组网示意图

1）方案要点和设备组成框图

从以上对各种传输技术方案的分析、比较来看，在数字家庭网络的建设和改造以及IPTV部署过程中，为避免布线的麻烦，同时提升网络部署灵活性与便捷性，采用无线（WiFi）传输的方式是最优的选择。WLAN技术自802.11b颁布以来，在过去的几年中，逐渐以其高传输速率、日益改善的安全性能以及极具诱惑力的产品价格吸引了ISP和消费者的注意。它的全标准应用，设备成熟，价格低廉，尤其新的IEEE802.11n初步标准已经通过，确保108 Mbit/s的吞吐量，最高可到300 Mbit/s。但WiFi的无线传输方式，无论是802.11g，还是802.11n，其无线信号的衰落特性在单元式住房结构中都面临两个最难解决的问题:其一是建筑物内的有效覆盖，其二是加大功率时产生的综合EMI问题——安全覆盖。所以根据上述思路，采用有线/无线相结合的应用方案，即将WiFi信号通过现有CATV同轴电缆传送到各房间（如客厅、卧室、书房）内，然后分别在各房间多点发射，分别覆盖其单房间区，进而实现室内环境下无线信号的有效与安全（EMI）覆盖。这样，以CATV电缆作馈线，馈入各房间的多个天线分片覆盖（波分多址），从而克服了室内隔墙、天花板和家具等传输障碍对信号的衰减，同时也由室内隔墙、天花板和家具等传输障碍隔离了向房外的辐射，一举两得，解决了上述两个难题。

其技术核心是基于同轴电缆的WiFi技术（WLAN over Coax），将DC电源、10Base-T、WiFi信号与CATV汇集于同轴电缆网络进行传输，实现在不破坏家庭装修的前提下，利用普遍存在的有线电视电缆构建家庭网络平台，支持多终端、多业务运营服务。同时，以合理的成本解决室内环境下有线、无线（包括3G）信号覆盖等现实的技术难题。

整个系统的设备组成与组网示意图如图3所示。

2）方案特点

充分利用家中现有电视网的同轴电缆布线，结合WiFi信号可实现有线、无线对家庭的联合覆盖，构建数字家庭的网络基础设施，不需改线/铺线，无入户施工。

网络质量高，无信号干扰，可扩展性好，实现了室内环境下无线信号的有效与安全（EMI）覆盖，解决了WiFi在数字家庭领域应用覆盖和安全两大难题。

不占用有线电视系统有效频率资源，使有线电视基础网络具有宽带、双向、多功能的承载能力。

可实现基于网络的媒体共享、室内安防、视频监控和电器控制等应用，支持多模（智能）PDA通信、远程医疗、应急呼救等服务。数字家庭的另一大任务属于控制域的传感器网络范畴，涉及安全监控、自动抄表、远程控制和维修以及各种电子电气设备的控制等，这类任务传输速率要求不高，需要24 h监控，其可靠性和网络体系更为重要。这些特性传统地决定了ZigBee成为其最为理想的选择，但本方案可采用微耗WiFi的设备兼容实现，降低了系统复杂性和成本。

速率高。802.11g/802.11/a可提供54 Mbit／s的物理层传输速率，而802.11n可确保108 Mbit／s，目前最高可达300 Mbit／s。虽然物理层开销需要占用大量带宽，但仍可为家庭内部提供数十兆至上百兆的带宽。

技术成熟。WiFi技术已被广泛使用，全标准应用，即使是尚未完全标准化的802.11n，也已经有大量芯片厂商提供相关产品。

WiFi产业链已经成熟，产品设备层出不穷，其设备成熟、价格低廉，运行稳定，安全可靠，经济实用，系统主要组成部分生命周期长等。

3）方案实施关键技术及技术可行性分析

（1）网关/标准选用

同有线电视一样，带宽、速度、功率成为基于同轴电缆的WLAN接入的关键，但这些均由ADSL/以太网至WLAN的网关决定，关键在于市场上选购的网关产品。目前可选用技术成熟并广泛应用的802.11g产品进行数据和视频分发，可提供54 Mbit／s的物理层传输速率；802.11n已成为家庭高清影音传输的首选技术，其最高传输速率在单频带（Single Band）为150 Mbit/s，双频带信号流（Signal Stream）的情况下，则达300 Mbit/s，能够承载多个高清晰视频、音频和其他大数据量数据串流。因此足以胜任现代数字家庭的应用及其未来的发展。

（2）频带安排，扩展双频段WiFi

方案实施的关键为如何充分利用同轴电缆的频带资源同时支持CATV，10Base-T，WiFi和ZigBee等信号的网络传输，构建稳定可靠的室内信息网络平台，解决室内信息设备通信方式多样性、无线信号覆盖的有效性和安全性等问题。避免室内网络的重复建设和无效建设，能便捷地实现基于网络的媒体共享、室内安防、视频监控和电器控制等应用，支持多模（智能）PDA通信、远程医疗、应急呼救等服务，为基于三网融合的室内信息化提供现实可行的发展模式。

这里的关键是在原来只适用5～1000 MHz的电视电缆内安排10Base-T和WiFi传输的频带位置与宽度，包括2.4 GHz/5 GHz双频带信号传输在内。因大多数CATV系统工作于87～860 MHz，0～65 MHz频带和860 MHz以上频带资源尚未利用，因此采用频带复用方法，以不影响CATV系统工作为原则将WiFi信号（包括2.4 GHz/5 GHz）分别安排在860 MHz以上不同频带传输。频带可将整个WiFi频带降频下搬，将2.4 GHz/5 GHz安排到不同位置；也可只将工作频道（约20 MHz）降频下搬。前者可采用固定频率频综，后者对降/升频变频器提出了可变本振频综和对WiFi频带扫描的严格要求。

（3）降/升频变频器

这是该方案的核心和关键，其关键是保障降/升频变频器与WiFi基站完全同步工作（＜3～5 ns），涉及收发开关和加电控等技术难题。建议采用成对工作，在家庭网关处采用降频，变成1 GHz以下传输信号，实现低损耗通过电视电缆和分支器传输，到房间后再升频，回到原2.4 GHz/5 GHz频段，从而避开所谓“非标”问题。

（4）无线传感器网（WSN）功能实现

此时传感器嵌入式集成微耗WiFi收发信机，实现与WiFi兼容。这些传感器平时只留探测器“值守”，其余休眠，事件触发，启动采集数据，分析判断并决策(控制、报警等)，实现传统ZigBee的传感器网络功能，完成数字家庭的另一大任务——属于控制域的传感器网络范畴任务，涉及安全监控、自动抄表、远程控制和维修以及各种电子电气设备的控制等，这类任务要求传输速率不高，但可靠性和网络体系更为重要。这样采用微耗WiFi的设备兼容实现，降低了系统复杂性和成本。

4 小结

以上概括了现今各类数字家庭网络技术的研究、发展与应用情况及其之间的比较分析，在此基础上探讨了最优的数字家庭网络技术与方案，对如何把握三网融合对家庭网络发展的推进，如何实现惠及百姓的家庭网络有一定参考价值与意义。

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