5.3 家庭网络技术方案分析

（1）每个家庭中是有三个家庭网络，还是一个家庭网络。

现存三网技术体制深入家庭自然形成三个家庭网络，但主要问题是复杂和高成本，所以普遍倾向采用一个家庭网络。

（2）一个家庭网络必然配置一个家庭网关。关于家庭网关的功能和技术体制是必须首先考虑的问题。

（3）家庭网关的对外功能：能够沟通现存的三类接入网络和将来可能形成的统一接入网络。实现这种功能不存在技术困难，例如，无源光网络即可以实现三类接入网络的接入，也可以实现统一的高速接入。

（4）家庭网关的对内功能：能够支持所有各类用户终端。这是实现一个家庭网络的主要难题。实现单一、简明的家庭网络普遍倾向采用局域网技术。

（5）如果将来推广应用VoIP和IPTV，那么采用高速以太网或者高速令牌网是顺理成章的解决方案。然而，现实情况是传统电话业务、传统电视业务与数据业务并存。

（6）传统电视信号数字化的主要困难：把全部电视节目数字化并且送到电视机时传输速率过高。如果把全部电视节目分配到家庭网关，在家庭网关中设置接收特定电视机的“点播”控制，那么就可能彻底解决高传输速率问题。

（7）传统电话信号数字化的主要困难是相对成本问题。因为模拟电话机很便宜，引入数字模拟变换必然增加相对成本。如果只要求一个主要电话机具有振铃和拨号功能，其余从属电话机只要求通话功能，那么就可以把增加的成本尽可能降低下来。

（8）总线选择，这是影响家庭网络简明程度和成本高低的主要因素。可能的选择包括天线、电缆、电力线等。其中，天线出于用户之间干扰和建筑屏蔽等原因具有局限性。因此，基于家庭低压电力线载波通信技术而构建的家庭总线网络可能是一种最简单的选择。

5.3.1 几种有线组网的方案对比

1.电话线组网方案

因为电话应用已经相当普及，所以利用大多数家庭已有的电话配线（三类电缆，CAT3）来实现家庭网络是一个经济实惠的方案，不仅可以充分利用现有的资源，而且施工和安装都比较方便。

但是，由于所有电气设备必须基于同一条电话线路，所以可能需要根据要求重新布线。因为传统电话线插孔、起居室的电话线插座位置，以及电视机和计算机的插座并不在所要求的位置上，并且通常一般的家庭里没有足够的RJ-11接口，所以需在每一个房间或者电话、计算机和其他设备能够触及的地方安装插座，这会带来技术上和成本上的问题。

另外，电话线路是用于传输音频信号的，并非为高速数据传输而设计，因此传输信号带宽较窄，并且会遇到信号衰减和噪声等问题。

目前电话线组网的产品根据距离可以区分为长距离和短距离两大类，两类的速率都为1Mbps。

长距离的产品可以在0.4mm的电话双绞线上传送1000m，短距离的产品可以在0.4mm的电话双绞线上传送150m。下面是一个在电信小区中使用长距离电话线组网的实际应用情况。

组网主要使用了三种设备：长距离电话线交换机，具有9个端口，其中8个RJ-11电话线端口为下行端口，1个10/100M自适应RJ-45端口为上行端口，以及以太网交换机。该电信小区是一个半径约为300m的光网络单元设备（ONU）小区，在小区的中心是ONU机房，安装电话线组网设备十分方便。图5-1为应用电话线组网的示意图。

从目前电信小区的成功应用情况来看，在开通过程中会遇到下面一些问题。

1）传输距离

从小区机房到用户的线路可以分为两部分，一部分是从小区机房到楼内的分线盒，这部分的线路是大多数市话电缆。目前，市话电缆的线径主要是0.4mm。另一部分是从分线盒到用户，这部分的线路是0.5mm的平行线。下面就分析这两部分线路对传输距离的影响。

由于国内线路质量差别较大，标称0.4mm的铜线实际线径可能达不到0.4mm；另外，双绞线的绞合程度差别也较大，这些因素对双绞线传输高频信号影响很大。分线盒到用户的平行线对高频信号呈现一定的容性，对电话线组网信号的衰减也很大，因此最好不要超过20m。由此可见，普通型电话线组网在实际工程中很难开通到150m。在考虑电话线组网传输距离时，应注意如下问题：

（1）在电话线组网进行工程设计时，首先需要有小区内的市话电缆铺设图。根据电缆铺设图，计算中心机房与用户的距离。有时用户和机房的直线距离只有50m，但是电缆在管道中可能有150m。

（2）关于电话线组网的传输距离，厂家一般只提供传输距离，如150m或800m等，而没有提供定量的数据，因此不知道要留出多少裕量才比较可靠。那么，建议用户在电话线组网的设计当中应该留出充分的裕量，普通型电话线组网交换机在楼宇内使用比较可靠，长距离电话线组网交换机则比较适合放在小区机房。

2）串扰问题

串扰问题不仅影响传输的距离，还会影响设备的稳定性。因为串扰造成的干扰会使误码率提高，有一些电话线组网交换机运行两周左右就会出现死机，所以必须重新复位才可以工作。而另一些厂家使用了功能更强的交换芯片，则没有这个问题。电话线组网交换机必须要在实际环境中试用两周以上。

3）分离器

对于有些用户交换机和电话机，需要安装类似ADSL的分离器。这样在电话摘机后，电话机的低阻不会对Home PNA设备有影响。

2.同轴电缆组网方案

该方案是利用现存的有线电视网络，通过同轴电缆进行长距离、可靠的数据传输，从而将服务连接到家；而家中连接这一服务的每一处都要有一个信息端口，因此系统要受插座位置的限制，要求房间在施工时就要做好规划。

采用在同轴电缆网络与EPON类似的协议，是下行采用广播式，所有数据经由无源同轴电缆到达每一用户，用户通过标志，取出属于自己地址的数据；上行采用TDMA方式，各用户单元在自己的时隙内发送数据报文。ECAN的上、下行数据传送及带宽分配如图5-2所示。

图5-2中的CNU1表示用户1，CNU2表示用户2，CNU3表示用户3，编号为1、2、3的不同小方块分别表示属于用户1、2、3的数据。与上、下行分别利用不同波长信道，实现全双工通信的EPON的点对多点（P2MP）的光纤传送不同，ECAN的MPCP多点控制协议的上、下行信号传送工作在同一个频带，上、下行通信采用TDD时分双工方式。通过时分双工的用户接入要求，采用IEEE 802.3ah的多点控制协议（MPCP）控制信道，实现上行信道的动态带宽STDMA带宽分配。即由CLT统一分配CNU的上行时隙，同时CNU周期性地上报上行需求，而CLT周期性告知CNU，在上行数据传输中，CNU只能在属于自己的上行时隙发送上行数据，如图5-3所示。

由于目前信息家电安装的随意性很大，不可能事先留出足够的接口及合适的位置，所以需对目前家庭同轴电缆进行改造和增加设备，这是限制该方案发展的主要原因。

3.采用家庭低压电力线组网方案

信息家电需要由交流电力线供电，而交流电力线早已遍及整个家庭的每一个角落，不仅在墙面上留有插座，而且大部分家电都已通过电源面板互相连接起来。如果利用电力线作为传输媒质，不需借助其他任何连接方式，就可实现控制、监视及通信信息的发送和接收，并完成电话扩展、调制解调器的连接等。

该方案由电源面板、智能控制设备和多个组件组成，每个组件可以像普通家电设备一样插入电源插座，而其他的信息家电设备就插在那些组件上。智能控制设备可以插入家庭中的任意一个电源插座上，从而控制插在远程组件上的家电设备，实现家庭网络系统。

HomePlug AV的目的是在家庭内部的电力线上构筑高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络，专门用于满足家庭数字多媒体传输的需要。它采用先进的物理层和MAC层技术，提供200Mbps级的电力线网络，用于传输视频、音频和数据。HomePlug AV是通过一种竞争性的机制来择优选定的。多家厂商提交的电力线通信技术在经过实验室测试和现场试用后，结合几种技术的优点，合并为一个单一的标准规范。

HomePlug AV的物理层使用OFDM调制方式，去除美国无线电爱好者使用的频率后，在2～28MHz频段使用1917个子载波；功率谱密度可编程，以满足不同国家的频率管制；每个子载波的调制方式可以不同，可以单独进行BPSK、QPSK、SQAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM调制；采用Turbo FEC错误校验；物理层线路速率达到200Mbps，净荷为150Mbps，接近电力线信道的通信容量；前同步码可被HomePlug l.0设备检测，从而实现两者共存，但互操作是可选项。在10个家庭中进行的性能测试，80%的插座达到88Mbps以上的带宽，95%的插座达到35Mbps以上的带宽，98%的插座达到27Mbps以上的带宽，典型的物理层速率为70～100Mbps。

目前家庭对于宽带业务的需求，以及电力线宽带通信技术的发展，使越来越多的厂家开始研发并提供基于HomePlug AV的电力线通信产品。随着HomePlug标准化进程的进一步加快，相信HomePlug产品会获得越来越广泛的应用。

4.以太网配线方案

在家庭内部由于五类线缆的普及，采用五类线通过RJ-45接口接到集线器（Hub）组成星状网，可实现信号的双向传输，有着较高的可靠性，因而被广泛地应用在商业中，成为办公室计算机和打印机网络的标准选择。但是，建立这样的网络需要大量的五类电缆，造价昂贵、不易安装、维护困难，因此极少有人愿意采用这样的方案来实现家庭网络。

组建家庭网络的双绞线一般分为两大类，分别为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。屏蔽双绞线外面由一层金属材料和绝缘橡胶皮包裹，内有4对线，其金属材料包裹可以减小辐射和外界电磁波干扰，同时具有较高的数据传输速率，但价格较高，安装比较复杂；而UTP无金属屏蔽，只有一层绝缘橡胶包裹4对双绞线，使用灵活，但受电磁辐射的影响较为严重，在室内一般都采用UTP。

双绞线用于局域网中设备与设备之间的连接，为了充分利用每一对线，达到省时、省力和节约材料的目的，以太网在使用双绞线作为传输介质时定义为4对线缆，在使用双绞线作为传输介质的快速以太网中存在着3个标准，即10BASE—TX、100BASE—TX和1000BASE—TX，其中1000BASE—TX标准要求使用全部的4对线进行信号传输，另外两个标准只需要2对线。在家庭网络中最普及的是100BASE—TX标准，所以2对线就可以满足目前办公、家庭计算机网络的发送和接收要求，剩余的2对线闲置，对闲置的线可灵活运用。

5.有线联网技术对比

通过有线的传输技术实现数字家庭内部联网的组网技术包括IEEE 1901、HomePlug AV、Home PNA、MoCA、G.hn等，大多数消费者已经在家中安装了几种网络。例如，卫星或有线电视网络通过同轴电缆向一个或多个机顶盒提供内容，利用电力线通信（PLC）技术互连PC，通过WiFi为多个笔记本电脑和手机分配共享的互联网连接等。尽管以太网可以提供非常可靠的互连，但是CAT布线很昂贵，因此人们试图利用已有“线缆”，如同轴电缆、电力线或无线。不过，无论在哪个地区、哪个家庭或哪个房间，单一互连技术都无法实现100%的覆盖率。

美国也仅有11%的家庭安装了CATS，而且大部分安装都没有适当的信号终结，安装的目的也不是要建立以太网。在有些地区，虽然各种不同的房间都有可能安装了同轴电缆插座，但这类插座仍然谈不上普遍存在。另外，尽管家庭中几乎每一个房间都有电源插座，但是不同部分可能处在不同的PLC相位上，或者有些部分容易受到干扰，因而降低了PLC的性能和有效带宽。即使是无线互连，覆盖率也没有保证，因为房屋布局、构造和建筑材料的密度会影响无线技术的有效性。

新一代家庭网络基于家中现有的网络基础设施，包括以太网、同轴电缆、电力线、无线资源等，并将这些基础设施整合到一起，以实现基础设施之间的无缝连接，因而可在家中实现全面的网络覆盖。例如，单独采用这些技术中的任何一种，都不能实现对整个家庭的全面覆盖，但是一个网络如果支持多种通信技术，就可以极大地提高覆盖率。家中每一个房间都可以由至少一种技术，或者在很多情况下，由几种技术来保证覆盖率。

有线传输组网方案的对比如表5-3所示。

Isuppli通过进行不同规模的数字家庭的市场调研，所得调查结果如表5-4所示。

5.3.2 家庭组网技术方案

综合上述因素，家庭网络结构模型如图5-4所示。

注：①“”为家庭低压电力线及电力线Modem沟通的家庭宽带主干网络。

②控制设备在基于电力线载波通信技术的家庭网络环境中，是指具备以太网接口的IP终端。

③终端设备是指具备以太网接口的IP终端。

④子网关是指对电力线Modem是以太网接口，对家庭内部设备是WLAN接口、ZigBee接口、RS-485接口等的网关设备。

⑤下挂在子网关1下的终端11是指与子网关一样的接口的终端设备（WLAN、ZigBee、RS-485等设备，但是终端的应用是基于IP协议的设备）。

在图5-4的基础上，基于电力线载波通信技术的家庭网络的应用模型示意图如图5-5和图5-6所示。由家庭网关和PLC设备构成家庭宽带主干网，主干网辅以WLAN、ZigBee、RS-485/232等子网实现对家庭信息设备联网和对外信息互连互通的要求。