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大宽带背景下的家庭网络应用技术研究及发展探讨

刘文超; 万象; 马智勇; 赵伟峰| 家庭网关,家庭网络,物联网,IPv6| 2010-11-24
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【中心议题】

  • 探讨家庭网络及业务应用的发展趋势
  • 对基于家庭网关提供全无线解决方案、IPv6支持等关键技术进行深入分析

【解决方案】

  • 空口技术、无线频段的合理选择
  • 同时接入IPv4IPv6的电信网络

1引言

近年来,随着新一代宽带承载技术的成熟,电信运营商提出了以光进铜退为主要举措的网络转型战略以及接入带宽提速、多业务运营的网络发展目标。国务院近日决定加快推进电信网、广播电视网、互联网三网融合,并提出了阶段性目标和明确时间表,三网融合进程正在加速推进。3G牌照的正式发放,标志着中国移动、中国联通、中国电信三大运营商进入全业务竞争时代,各个运营商已开始向竞争对手领域渗透。以高速、融合、精品为特征的大宽带时代全面到来,这是电信运营商面临的一次里程碑式的变革,其带来的挑战和所蕴含的机遇也是空前的。大宽带背景下,围绕以用户服务需求为核心探索系列应用,逐步实现价值链延伸和应用创新,将成为电信运营商进行市场布局的重要方向,其中家庭应用无疑是电信运营商重点关注的方向之一。本文将通过探讨大宽带背景下的家庭网络及业务应用的发展趋势,提出家庭网关开发建议,并对相关技术进行深入分析。

2大宽带背景下的家庭网络及业务应用的发展趋势

在大宽带背景下,家庭网络及业务应用正呈现出高带宽传输、全方位融合、多业务综合、精品化体验的发展趋势。

1)高带宽传输

新一代宽带网采用FTTx链路,将用户的所有业务通过一根光纤接入到网络中来,宽带提速为用户数字家庭生活铺平了道路,高速无线上网、高清IPTV、可视电话等高带宽应用成为电信运营商家庭业务应用的发展热点。

 

2)全方位融合

大宽带背景下家庭网络及业务应用的融合是全方位的,包括有线和无线、固定与移动、多屏间的互动与融合。例如带Wi-Fi的互联网手机进入家庭后可以通过家庭内部的无线连接网络;无绳双模手机既可以作为手机,还可以作为家庭内部的无绳子机;带位移电视功能的IPTV既可以在电视上呈现,还可以在家庭信息机上呈现,甚至出门还可以在手机上继续观看。

3)多业务综合

为了避免提速不提价的尴尬局面,多元化的业务填充是大宽带背景下持续吸引用户的关键。除传统互联网应用,以家庭数字化安防报警与视频监控、家庭数字化远程健康管理、远程智能家居系统的控制与节能管理为代表的家庭物联网应用将给用户带来立体化、高品质的数字家庭新生活。

4)精品化体验

家庭全无线解决方案使用户不必再为家庭布线和设备上的多根数据线伤脑筋。玩游戏、听音乐、上网、下载、打电话、看电视、家庭监控、远程医疗、家电互联等都可以通过无线方式实现。备电的提供使得宽带语音等业务可以不间断使用。家庭业务的零接触开通和设备远程故障诊断为给用户提供更优质的服务提供了可能。

3大宽带背景下的家庭网关开发建议

上述趋势对承载家庭网络应用、实现数字化家庭的核心设备———家庭网关提出了一些新的开发需求。

1)高带宽接入及全无线承载

从设备形态方面看,家庭网关将具备FTTx高速宽带接入的上行接口,支持包括以太网、WLANWDCT无绳、普通电话、安防专用频率无线接口、USB等丰富的下行接口;从业务方面,家庭网关将可通过全无线方式承载高速无线上网、多路高清和标清IPTV、无绳语音、家庭安防、家庭监控以及信息家电控制等多种业务。

 

2)支持IPv4/v6双栈应用

IPv4地址的匮乏使得电信运营商纷纷制定启用IPv6的发展战略。由于目前电信业务类型丰富多样,互联网的规模庞大,用户终端种类繁多,IPv4IPv6的过渡将是一个长期的过程。因此,家庭网关将长期面临IPv4IPv6共存的应用环境,这要求家庭网关必须支持IPv4/v6双栈应用。

3)支持广电接入能力和集成广电视频承载

三网融合背景下电信运营商存在与广电台、网不同的合作可能性。广电网络欲介入电信服务,需要全国性ISP牌照、互联网国际出口资源、VoIP软交换系统等,电信运营商可在自身宽带接入网络薄弱的地方发挥上述资源优势,借助广电双向改造的接入网络捆绑提供语音、数据和广播电视等多种服务。从家庭网关的角度来看,则需要开发集成广电接入能力、支持多业务、可管理的新形态产品。

电信运营商可在宽带接入网络有优势的地方与电视台进行合作,如一方面可通过内容、节目的配合,借助电视台的IPTV牌照或开放后自己的牌照,加大IPTV业务的发展力度;另一方面,电信运营商数据网络也可以承载和传送电视台内容,为最终用户捆绑提供语音、数据和广播电视等多种服务。从家庭网关的角度来看,则需要开发集成广电视频节目承载能力的新形态产品。

4)支持备电功能

随着家庭网关功能的不断增强,支持的业务种类越来越丰富,VoIP、家庭监控等应用覆盖逐步扩大。为延续用户的使用习惯,实现断电时业务的持续提供,要求家庭网关在家庭环境掉电后仍能在一段时间内继续维持一些和用户生活密切相关的业务应用。由于光纤不具备输电能力,且传统的光纤远方供电模式已不适用于FTTH环境,因此掉电的业务支持必须借助家庭网关的备电功能解决。

5)支持零接触业务开通和远程故障诊断

层出不穷的宽带业务丰富了用户的生活,但家庭网关上多样化的承载业务带来了终端开通配置的复杂性、对安装人员的高要求和业务开通时间的增加;庞大的终端数量和复杂的人工配置给运维人员进行故障定位和排除带来了很大的困难,大大增加了运维的时间和成本。家庭网关是电信运营网络在家庭中的载体,必须具备可管可控的能力,才能更好地和电信运营网络实现联动,为家庭用户提供便捷的零接触业务开通以及灵活的故障诊断和定位。

未来,随着FTTH环境下的家庭网关和OLTIEEE1588v2标准的支持,将使得长期困扰Femtocell应用的校时问题得到解决,因此在家庭网关上嵌入Femtocell模块,利用一台设备同时实现家庭网络和Femtocell应用,将成为家庭网关一个非常具有吸引力的发展方向。

 

4关键技术的分析与探讨

基于对大宽带背景下家庭网络及业务应用的发展趋势以及对家庭网关开发需求的分析,可了解业务的全无线承载是关键,因此本文将重点分析推进家庭无线业务方案需解决的几个问题,并对其他相关技术关键点略作分析。

1)推进家庭无线业务方案需要考虑的关键点

①空口技术选择

目前可供选择的无线技术方案很多,必须根据各种技术的特点,并结合业务特点进行选择。例如:红外技术无需天线适合短距离直线传播,在安防探头、近距离遥控和数据共享中有较大发展空间;蓝牙采用跳频技术抗干扰能力强,商用多年,在近距离、低速率信息共享中比较有优势;

RFID技术酝酿多年,并终将随着物联网的发展使低速率、小数据量传输应用方面旧貌换新颜。Wi-Fi已成为无线局域网事实上的标准,产业链成熟。从802.11a开始,到802.11b/g的大规模商用,Wi-Fi已可以在无线空口提供54 Mbit/s的连接速率。802.11n近期正逐渐进入商用,其在兼容802.11b/g的基础上还可工作在2.4 GHz5.8 GHz频段,更纳入了多入多出、智能天线等技术,使得无线连接速率理论上最高提升到600 Mbit/sWi-Fi正逐渐成为高速率、大数据量无线传输的首选。

②无线频段选择

除红外技术外,其他射频技术在使用时都必须符合各国政府对无线电频率的管理规定。在中国,315 MHz/433 MHz专用于安防设备遥控、安防报警,123 kHz235 MHz频率的RFID技术在我国也有广泛应用。

2.4 GHz频段(2 4002 483.5 MHz)被世界各国划分为开放频段,无需申请即可用于工业、科学、医疗等用途,如蓝牙、Wi-Fi、微波炉产品、数字无绳电话都使用2.4 GHz频段。然而,需要特别提及的是,在2.4 GHz频段中工作的射频电子设备已有很多,因此来自同频段的干扰比较大,这就要求设备应能够抵抗同频设备干扰。为了提供Wi-Fi设备的抗干扰性,设备应具备频道自动选择功能,能够根据外界无线电环境,在若干个工作信道中自动进行信道选择。尽管802.11n允许20 MHz/40 MHz两种信道宽度,并且40 MHz频宽工作模式能提供几乎加倍的数据吞吐量,但考虑到2.4 GHz频段仅有3个不重叠的20 MHz信道,为了尽量少占用频谱资源,减少与其他系统的互干扰,802.11n设备在2.4 GHz频段建议使用20 MHz的信道宽度。

 

③家庭覆盖与布线问题

设备的无线覆盖性能受诸多因素影响,例如,无线设备的发射功率;无线信号空中传输时的衰减,穿越家具和墙体时引入的路径损耗;开放空间中无线信号的多径效应等。这些因素中,除无线发射功率是根据国家无线电管理规定进行配置外,其余因素需通过软硬件优化、设备位置优化以获得更好的性能表现。结合用户家庭实际布线情况,可以提供多种设备形态供选择:如果设备摆放在户型中央位置对各个房间业务辐射范围较理想,可以选用具有AP功能的家庭网关同时实现宽带接入和无线业务承载;一些家庭允许无线AP与家庭网关分离,这样方式将更加灵活,可把无线AP布置在家庭中任何位置,而宽带接入部分甚至可以放置在较隐蔽封闭的家庭布线箱内;对于家庭内无线覆盖死角,可以通过无线中继来延伸覆盖范围。

1所示为针对无线中继的三房两厅用户环境测试。无线AP向测试点123发送一路标清,无线中继位于房型中央向测试点3转发标清节目。当关闭中继时,测试点12都可流畅播放标清节目,但因无线信号必须穿越或绕射两堵墙,测试点3标清节目质量主观评价很差。当开启中继时,在测试点3标清节目流畅。

 

④业务质量(QoS)保证问题

无线传输QoS保障是家庭无线承载的核心问题。基于数据包交换的WLAN传承了以太网的“尽力而为”思想,无法满足实时流媒体的传输要求。为此Wi-Fi组织特意推出802.11eWMM技术,通过数据流与传输队列的映射,区分出4种流类型(voice/video/best effort/background)并采取相应的优先级调度规则,在无线数据处理和转发时为不同业务流进行不同的QoS处理。这些努力可以在目前产品框架内提供一定的业务质量优化效果,但可能还有更多因素需要关注。例如,就无线IPTV业务来说,其对无线传输的抖动和丢包都较敏感,对数据吞吐要求极高,一般的720p高清电视节目应至少保证10 Mbit/s,而更高质量高清节目(例如1080p)可能需要具备QoS保障的高达50 Mbit/s的无线数据吞吐。而且,即使设备具备一定的抗干扰能力,来自2.4 GHz频段其他共频设备的随机干扰仍然会导致一段时间内系统性能在一定程度上下降。在这种情况下,任何QoS保障措施都可能无法挽回实际的业务质量下降,用户会在显示器上看到图像停顿和马赛克。为解决此问题,5.8 GHz频段无线IPTV成为一个可能的选择,因为5.8 GHz频段内可供使用的信道更多而且没有被各种无线电应用充斥“污染”,便于先期引导和规划。同时,其他方面的技术增强也有利于提升QoS保障能力,例如,采用波束成型技术和智能天线技术,优化天线发射和接收的方向性,尽可能在提高接收机业务信号强度的同时抑制干扰信号对系统的影响。笔者在5.8 GHz频段产品的测试环境(如图2所示)对被测设备进行多路IPTV视频承载测试(210 Mbit/s高清广播+12 Mbit/s标清广播,无线AP总计承载50 Mbit/s无线数据)。三个无线client分别位于图中123位置,其中client 1距离AP 8 mclient 2位于会议室中距离AP 20 m并间隔一堵承重墙,client 3距离AP 5 m且间隔一堵承重墙。测试中三个测试点的高清和标清视频节目都能够流畅播放。

 

⑤无线安全问题

不同于有线电缆连接方式,家庭无线网络化既方便了用户的使用,也把数据暴露在开放空间里,因此,确保无线数据安全并防止恶意攻击变得尤为重要。基于认证的业务访问、安全的数据加密,已有较多文献资料对此进行了分析,在此不再赘述。

2IPv4/v6双栈应用的支持

家庭网关在网络侧要能同时接入IPv4IPv6的电信网络,在用户侧能接入IPv4IPv6的用户终端,并能保证不同协议用户终端都能实现对网络环境及网络应用的访问(如对IPv4IPv6环境下的组播支持)。家庭网关必须在支持目前的IPv4地址获取、管理及分配之外,增加以SLAACDHCP-PD等方式获取、管理和分配IPv6地址的能力,并实现相应的路由转发、DNS解析、QoS、管理维护功能。

3)安防集成方案的考虑

家庭安防是家庭物联网的典型应用,在家庭网关中集成安防主要有两种不同的解决方案:窄带方案和宽带方案。窄带方案采用DTMF方式上报警情,具有实现简单且应用较广泛的优点,但需要占用一路电话线路,且报警速度较慢(一次上报耗时约20 s),不适于视频联动处理,不便于远程管控。宽带方案采用IP数据方式上报警情,不仅无需占用电话线路,而且报警及时(上报警情为毫秒级),可视频联动拍照、录像,还可方便地进行远程管控。采用宽带方案又有两种不同的集成方式,其中以太网口集成方式不仅需要占用内部的以太网口资源,而且对芯片处理性能要求较高,因此成本也相对较高,而采用COM接口集成正好可以规避上述缺点。

4)备电分析

小型设备常用的备电方式有UPS和可充电电池2种,其中UPS备电由于多采用铅蓄电池,体积大且对环境污染强,因此在家庭用户中的接受程度较低,所以家庭网关应优先选择使用可充电电池提供备电。具体实现方式是:家庭网关的电源模块增加可充电电池插座和充放电控制电路,用户使用家庭网关时将可充电电池插入电源模块上的电池插座,在家庭电源正常时,电网电源直接给家庭网关供电,同时充放电控制电路使用电网电源给可充电电池充电;在电网电源断开时,充放电控制电路立即切换锂电池向家庭网关供电,实现电源供应的无间断切换,保证用户业务持续使用。家庭网关可采用的可充电电池有镍氢电池和锂电池2种,在相同体积时,锂离子电池较镍氢电池轻,并且容量大,待机时间较长,但价格较镍氢电池贵,考虑到家庭环境对设备体积的限制和用户的接受程度,家庭网关可优选使用锂电池。根据可充电电池是否外露,备电池的装配方式可分为内置式和外插式,内置式设备外形美观,牢固性好,但更换电池比较复杂,外插式的外观整体性差,牢固性弱,但电池装拆方便。

 

5)远程管理

TR069系列协议规范了对宽带网络中的终端设备,如家庭网关、IPTV机顶盒、VoIP终端、网络摄像头等进行远程业务配置和设备管理的协议,为宽带终端的可管可控提供了有效的手段。基于TR069协议的终端远程管理系统北向接口和运营支撑系统相连,南向接口通过实时的TR069管理通道连接到家庭网关以及家庭内的应用终端,提供了业务的远程配置、远程软件/配置升级、远程监控和远程故障诊断等功能,从而实现便捷的业务开通、灵活的业务加载、远程故障排除、第一时间的新业务发布和体验等,能够全方位地提升家庭用户申请及使用业务的方便性、舒适度和满意度,大大增加用户粘着度。

5结束语

基于上述分析,笔者认为,电信运营商应本着提高用户感受、综合承载各种新型业务、占领新一轮竞争制高点的宗旨,以宽带提速为切入,加强有线和无线的无缝融合,提升宽带竞争的“硬实力”,重点推进以高速、融合、精品为核心的家庭网络应用开发,通过家庭全无线解决方案解决家庭布线和提升用户体验,提供高清视频、无绳语音、高速上网、家庭监控及安防等综合业务,打造宽带差异化优势,促进高带宽业务发展。利用现有平台和资源,以用户为核心,在四屏之间形成良好的信息资讯传递和服务的统一,带动终端制造、内容提供、互动业务等价值链中合作伙伴的发展,共同推动三网融合所孕育的巨大市场机会。

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