基于EPON接入的家庭网关的设计与应用研究

【中心议题】

• 分析基于电信网络的家庭网关的应用和功能
• 设计了基于EPON接入的家庭网关设备

【解决方案】

• 以ONU MAC芯片为核心设计EPON接入模块电路
• 软件框架分为基础支撑层、业务处理层和用户界面层基础支撑层负责完成芯片驱动

0引言

随着网络技术、通信技术的成熟与应用，一种在有限范围内（如家庭内部、办公室等）通过有线或无线方式将多种设备联网、提供远程控制及交互业务的“家庭网络技术”正逐渐在通信、IT及家电等众多产业中成长起来。家庭网络（Home Area Network）概念的提出涉及行业较多，每个行业对家庭网络的理解不完全一样，但共同的发展目标都是：家庭网络不仅仅是一个为了完成家庭内部各种设备资源共享、协同工作的网络，还过与外部网络（电信网/Internet/社区网）连接，实现家庭内部设备与外部网络信息交流，通过丰富多彩的业务和应用使用户享受到舒适、便利、安全的新体验。

家庭网络通过家庭网关与外部网络连接，基于电信网络/Internet提供面向家庭的多种业务。在电信运营商市场，目前主要是提供集成话音、数据和互动视频的三重播放（Triple-Play）业务。这对入户带宽的需求大大升级，特别是在互动视频方面，目前的ADSL上行带宽已经很难满足要求。EPON技术以其技术成熟性及性价比等优势，已成为FTTx建设的主流光接入技术。因此非常有必要设计一种基于EPON接入技术的，支持数据、语音、视频等综合业务接入功能的新一代家庭网关设备。

1家庭网关的应用研究

1.1家庭网络与电信网络的连接

基于EPON接入[1]的家庭网络与电信网络的连接如图1所示，家庭网络由家庭网关经由接入网、城域传送网与业务网络（如Internet、IPTV、NGN网等）、设备管理平台和业务管理平台相连。家庭网络中的管理信息由家庭网关经由接入网、城域传送网与家庭网络远程管理系统相连。

家庭网络和电信网络之间的信息交互有以下几种模式：

◆家庭网络的设备和电信网络进行交互，获得必须的配置和管理。

◆家庭网络内部设备通过家庭网关连接到电信网络获得服务。

◆家庭网络用户通过电信网络提供的资源或通道连接到其他家庭网络，来进行信息交互和资源共享等；远程用户通过电信网络接入到家庭网络内部与家庭网络内部设备进行资源共享和信息交互。

1.2家庭网关的功能要求

在确定家庭网关的功能之前，先分析一下家庭网络中可能有的业务，以及这些业务对家庭网关的要求。

◆视频交互业务IPTV等。支持这些业务的终端是TV＋机顶盒（STB）。这些业务对家庭网关的要求：应该支持相关的组播协议；认证方式支持PPPoE/DHCP；QoS方面，能够识别出Video业务，并将其优先级设为次高（Voice的优先级最高）。

◆语音业务PSTN电话、IP电话等。语音业务对网络的要求主要为：对时延、抖动和丢包敏感。家庭网关需做如下工作：如果是POTS电话，则需要网关完成VoIP功能；要识别VoIP业务，标记为最高优先级并保证其带宽；支持PPPoE/DHCP认证；解决公有、私有IP地址转换及私网穿越的问题。

◆数据业务高速上网业务、无线接入应用。无线接入是家庭网关必须提供的应用之一，网关需要内置AP。无线接入的关键问题是带宽、安全性和QoS。

◆其他新业务和应用视频监控、家庭自动控制等。对于家庭监控类业务，应该能够支持远程管理（远程通过PC或手机遥控家里的电器，视频监控等）。这类业务有些可预见，有些难以预料。

通过上述分析，可以归纳出家庭网关的功能：

⑴家庭网关应该能够支持桥接、路由以及混合模式。桥接和路由模式的基本区别在于家庭网关后面的每个用户主机/终端设备对于运营商网络来说是否直接可见。

⑵需要提供相应的WAN、LAN接口和协议。本设计上行接入采用EPON技术；下行接口包括以太网接口、POTS接口、无线接口（802.11b/g）、USB接口等。

⑶提供对业务的处理能力。对于VoIP业务，网关应具有VoIP功能，支持音频编码、SIP用户代理等功能。支持WLAN AP功能，以提供无线接入。

⑷应该能够承载未来可能出现的新业务。通过家庭网关的可扩展性来保证对未来新业务的支持。比如，在网关上提供高速USB接口，只要通过软件升级就可以支持新业务。

2家庭网关的功能模型

基于EPON接入的家庭网关功能框图如图2所示。家庭网关通过EPON接口与接入网相连，通过下行联网接口与终端设备或者适配设备连接。

EPON家庭网关的核心功能包括：地址功能，主要实现各业务模块IP地址的获得，支持PPPoE/DHCP/静态IP等宽带接入认证方式；QoS功能主要实现多业务流的分级处理及转发；安全功能主要防止外部网络对设备的非法访问以及对各业务系统的非法接入；远程管理功能主要实现对设备和业务的远程管理和控制，其中OAM完成家庭网关的L2及L2以下层功能的远程管理，TR-069负责家庭网关的L3及更高层功能的远程管理；WEB本地管理功能主要实现设备的本地登录管理和控制。

3基于EPON接入的家庭网关的设计

3.1家庭网关的硬件设计

本文基于EPON接入的家庭网关，其EPON接入模块原理框图如图3所示。

EPON接入模块电路设计以ONU MAC芯片为核心，可以分为PON接口电路、UNI接口电路、嵌入CPU外围存储器电路，以及电源转换电路等。ONU MAC芯片完成IEEE802.3－2005规定的MPCP等协议转换，选用的MAC芯片及其固件完全符合中国电信EPON设备技术要求V2.1，支持CTC V2.1 OAM及其扩展，支持CTC规定的多种DBA算法，可以与支持CTC V2.1标准的EPON设备互连互通。

本文基于EPON接入的家庭网关的设计，其方案框图如图4所示。

硬件以嵌入式处理器CPU为核心,CPU通过WAN接口连接EPON接入模块,通过mini-PCI插槽扩展WiFi AP模块。硬件可以分为网络处理器最小系统模块、LAN交换模块、VoIP模块、EPON ONU模块、mini-PCI扩展模块、电源转换模块等。网络处理器最小系统包括DDRII接口的64MB SDRAM、16MB Norflash、64MB NAND flash、PCI接口、USB接口、Rs232

Console接口、JTAG接口、时钟、复位等外围电路。

VOIP模块中Codec/SLIC电路完成模拟电话接口电路功能及模数转换功能，通过PCM接口与SPI接口接网络处理器，语音信号的压缩/解压缩，协议转换等由网络处理器完成；DAA电路为FXO接口电路，当用户拨打市话或者设备掉电时,继电器会切换到FXO口。LAN交换模块通过MII接口接网络处理器，由一片简单的二层以太网交换芯片扩展4个10/100Base-TX接口。

3.2家庭网关的软件框架

家庭网关的设计，其软件框架分为基础支撑层、业务处理层和用户界面层基础支撑层负责完成芯片驱动，操作系统适配等，该层作为其他层的支撑库存在。它提供了层间的通信，实现对业务对象的持久化，包含对用户界面层的支撑库等作用。业务处理层在功能上将业务处理层分为数据通道、配置通道和维护通道3个部分；另外，还有2个辅以业务功能实现的支撑层，分别为数据访问接口和信息模型。用户界面层负责向用户展现信息以及解释用户命令，提供EMS、WEB、CLI等管理接口。

4结束语

家庭网络作为全球信息基础设施的重要组成部分，已成为发展趋势。针对基于公用电信网络的家庭网络，工业和信息化部电信研究院已经完成并正在制定更多相关的国家和行业技术标准。本文在基于电信网络的家庭网络的标准基础上，通过对家庭网关的应用和功能分析，研发了基于EPON接入的家庭网关设备，并参加了电信组织的e家终端（e8c）设备选型测试。家庭网络涉及的行业众多，产业链的合作还需要多方面的促成因素。