大寬帶背景下的家庭網(wǎng)絡應用技術(shù)研究及發(fā)展探討

劉文超，萬 象，馬智勇，趙偉峰

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

近年來，隨著新一代寬帶承載技術(shù)的成熟，電信運營商提出了以光進銅退為主要舉措的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略以及接入帶寬提速、多業(yè)務運營的網(wǎng)絡發(fā)展目標。國務院近日決定加快推進電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合，并提出了階段性目標和明確時間表，三網(wǎng)融合進程正在加速推進。3G牌照的正式發(fā)放，標志著中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運營商進入全業(yè)務競爭時代，各個運營商已開始向競爭對手領(lǐng)域滲透。以高速、融合、精品為特征的大寬帶時代全面到來，這是電信運營商面臨的一次里程碑式的變革，其帶來的挑戰(zhàn)和所蘊含的機遇也是空前的。大寬帶背景下，圍繞以用戶服務需求為核心探索系列應用，逐步實現(xiàn)價值鏈延伸和應用創(chuàng)新，將成為電信運營商進行市場布局的重要方向，其中家庭應用無疑是電信運營商重點關(guān)注的方向之一。本文將通過探討大寬帶背景下的家庭網(wǎng)絡及業(yè)務應用的發(fā)展趨勢，提出家庭網(wǎng)關(guān)開發(fā)建議，并對相關(guān)技術(shù)進行深入分析。

2 大寬帶背景下的家庭網(wǎng)絡及業(yè)務應用的發(fā)展趨勢

在大寬帶背景下，家庭網(wǎng)絡及業(yè)務應用正呈現(xiàn)出高帶寬傳輸、全方位融合、多業(yè)務綜合、精品化體驗的發(fā)展趨勢。

（1）高帶寬傳輸

新一代寬帶網(wǎng)采用FTTx鏈路，將用戶的所有業(yè)務通過一根光纖接入到網(wǎng)絡中來，寬帶提速為用戶數(shù)字家庭生活鋪平了道路，高速無線上網(wǎng)、高清IPTV、可視電話等高帶寬應用成為電信運營商家庭業(yè)務應用的發(fā)展熱點。

（2）全方位融合

大寬帶背景下家庭網(wǎng)絡及業(yè)務應用的融合是全方位的，包括有線和無線、固定與移動、多屏間的互動與融合。例如帶Wi-Fi的互聯(lián)網(wǎng)手機進入家庭后可以通過家庭內(nèi)部的無線連接網(wǎng)絡；無繩雙模手機既可以作為手機，還可以作為家庭內(nèi)部的無繩子機；帶位移電視功能的IPTV既可以在電視上呈現(xiàn)，還可以在家庭信息機上呈現(xiàn)，甚至出門還可以在手機上繼續(xù)觀看。

（3）多業(yè)務綜合

為了避免提速不提價的尷尬局面，多元化的業(yè)務填充是大寬帶背景下持續(xù)吸引用戶的關(guān)鍵。除傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應用，以家庭數(shù)字化安防報警與視頻監(jiān)控、家庭數(shù)字化遠程健康管理、遠程智能家居系統(tǒng)的控制與節(jié)能管理為代表的家庭物聯(lián)網(wǎng)應用將給用戶帶來立體化、高品質(zhì)的數(shù)字家庭新生活。

（4）精品化體驗

家庭全無線解決方案使用戶不必再為家庭布線和設備上的多根數(shù)據(jù)線傷腦筋。玩游戲、聽音樂、上網(wǎng)、下載、打電話、看電視、家庭監(jiān)控、遠程醫(yī)療、家電互聯(lián)等都可以通過無線方式實現(xiàn)。備電的提供使得寬帶語音等業(yè)務可以不間斷使用。家庭業(yè)務的零接觸開通和設備遠程故障診斷為給用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務提供了可能。

3 大寬帶背景下的家庭網(wǎng)關(guān)開發(fā)建議

上述趨勢對承載家庭網(wǎng)絡應用、實現(xiàn)數(shù)字化家庭的核心設備——家庭網(wǎng)關(guān)提出了一些新的開發(fā)需求。

（1）高帶寬接入及全無線承載

從設備形態(tài)方面看，家庭網(wǎng)關(guān)將具備FTTx高速寬帶接入的上行接口，支持包括以太網(wǎng)、WLAN、WDCT無繩、普通電話、安防專用頻率無線接口、USB等豐富的下行接口；從業(yè)務方面，家庭網(wǎng)關(guān)將可通過全無線方式承載高速無線上網(wǎng)、多路高清和標清IPTV、無繩語音、家庭安防、家庭監(jiān)控以及信息家電控制等多種業(yè)務。

（2）支持 IPv4/v6雙棧應用

IPv4地址的匱乏使得電信運營商紛紛制定啟用IPv6的發(fā)展戰(zhàn)略。由于目前電信業(yè)務類型豐富多樣，互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模龐大，用戶終端種類繁多，IPv4向IPv6的過渡將是一個長期的過程。因此，家庭網(wǎng)關(guān)將長期面臨IPv4和IPv6共存的應用環(huán)境，這要求家庭網(wǎng)關(guān)必須支持IPv4/v6雙棧應用。

（3）支持廣電接入能力和集成廣電視頻承載

三網(wǎng)融合背景下電信運營商存在與廣電臺、網(wǎng)不同的合作可能性。廣電網(wǎng)絡欲介入電信服務，需要全國性ISP牌照、互聯(lián)網(wǎng)國際出口資源、VoIP軟交換系統(tǒng)等，電信運營商可在自身寬帶接入網(wǎng)絡薄弱的地方發(fā)揮上述資源優(yōu)勢，借助廣電雙向改造的接入網(wǎng)絡捆綁提供語音、數(shù)據(jù)和廣播電視等多種服務。從家庭網(wǎng)關(guān)的角度來看，則需要開發(fā)集成廣電接入能力、支持多業(yè)務、可管理的新形態(tài)產(chǎn)品。電信運營商可在寬帶接入網(wǎng)絡有優(yōu)勢的地方與電視臺進行合作，如一方面可通過內(nèi)容、節(jié)目的配合，借助電視臺的IPTV牌照或開放后自己的牌照，加大IPTV業(yè)務的發(fā)展力度；另一方面，電信運營商數(shù)據(jù)網(wǎng)絡也可以承載和傳送電視臺內(nèi)容，為最終用戶捆綁提供語音、數(shù)據(jù)和廣播電視等多種服務。從家庭網(wǎng)關(guān)的角度來看，則需要開發(fā)集成廣電視頻節(jié)目承載能力的新形態(tài)產(chǎn)品。

（4）支持備電功能

隨著家庭網(wǎng)關(guān)功能的不斷增強，支持的業(yè)務種類越來越豐富，VoIP、家庭監(jiān)控等應用覆蓋逐步擴大。為延續(xù)用戶的使用習慣，實現(xiàn)斷電時業(yè)務的持續(xù)提供，要求家庭網(wǎng)關(guān)在家庭環(huán)境掉電后仍能在一段時間內(nèi)繼續(xù)維持一些和用戶生活密切相關(guān)的業(yè)務應用。由于光纖不具備輸電能力，且傳統(tǒng)的光纖遠方供電模式已不適用于FTTH環(huán)境，因此掉電的業(yè)務支持必須借助家庭網(wǎng)關(guān)的備電功能解決。

（5）支持零接觸業(yè)務開通和遠程故障診斷

層出不窮的寬帶業(yè)務豐富了用戶的生活，但家庭網(wǎng)關(guān)上多樣化的承載業(yè)務帶來了終端開通配置的復雜性、對安裝人員的高要求和業(yè)務開通時間的增加；龐大的終端數(shù)量和復雜的人工配置給運維人員進行故障定位和排除帶來了很大的困難，大大增加了運維的時間和成本。家庭網(wǎng)關(guān)是電信運營網(wǎng)絡在家庭中的載體，必須具備可管可控的能力，才能更好地和電信運營網(wǎng)絡實現(xiàn)聯(lián)動，為家庭用戶提供便捷的零接觸業(yè)務開通以及靈活的故障診斷和定位。

未來，隨著FTTH環(huán)境下的家庭網(wǎng)關(guān)和OLT對IEEE 1588v2標準的支持，將使得長期困擾Femtocell應用的校時問題得到解決，因此在家庭網(wǎng)關(guān)上嵌入Femtocell模塊，利用一臺設備同時實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡和Femtocell應用，將成為家庭網(wǎng)關(guān)一個非常具有吸引力的發(fā)展方向。

4 關(guān)鍵技術(shù)的分析與探討

基于對大寬帶背景下家庭網(wǎng)絡及業(yè)務應用的發(fā)展趨勢以及對家庭網(wǎng)關(guān)開發(fā)需求的分析，可了解業(yè)務的全無線承載是關(guān)鍵，因此本文將重點分析推進家庭無線業(yè)務方案需解決的幾個問題，并對其他相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵點略作分析。

（1）推進家庭無線業(yè)務方案需要考慮的關(guān)鍵點

①空口技術(shù)選擇

目前可供選擇的無線技術(shù)方案很多，必須根據(jù)各種技術(shù)的特點，并結(jié)合業(yè)務特點進行選擇。例如：紅外技術(shù)無需天線適合短距離直線傳播，在安防探頭、近距離遙控和數(shù)據(jù)共享中有較大發(fā)展空間；藍牙采用跳頻技術(shù)抗干擾能力強，商用多年，在近距離、低速率信息共享中比較有優(yōu)勢；RFID技術(shù)醞釀多年，并終將隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使低速率、小數(shù)據(jù)量傳輸應用方面舊貌換新顏。Wi-Fi已成為無線局域網(wǎng)事實上的標準，產(chǎn)業(yè)鏈成熟。從802.11a開始，到802.11b/g的大規(guī)模商用，Wi-Fi已可以在無線空口提供54 Mbit/s的連接速率。802.11n近期正逐漸進入商用，其在兼容802.11b/g的基礎上還可工作在2.4 GHz和5.8 GHz頻段，更納入了多入多出、智能天線等技術(shù)，使得無線連接速率理論上最高提升到600 Mbit/s。Wi-Fi正逐漸成為高速率、大數(shù)據(jù)量無線傳輸?shù)氖走x。

②無線頻段選擇

除紅外技術(shù)外，其他射頻技術(shù)在使用時都必須符合各國政府對無線電頻率的管理規(guī)定。在中國，315 MHz/433 MHz專用于安防設備遙控、安防報警，123 kHz和235 MHz頻率的RFID技術(shù)在我國也有廣泛應用。2.4 GHz頻段（2 400～2 483.5 MHz）被世界各國劃分為開放頻段，無需申請即可用于工業(yè)、科學、醫(yī)療等用途，如藍牙、Wi-Fi、微波爐產(chǎn)品、數(shù)字無繩電話都使用2.4 GHz頻段。然而，需要特別提及的是，在2.4 GHz頻段中工作的射頻電子設備已有很多，因此來自同頻段的干擾比較大，這就要求設備應能夠抵抗同頻設備干擾。為了提供Wi-Fi設備的抗干擾性，設備應具備頻道自動選擇功能，能夠根據(jù)外界無線電環(huán)境，在若干個工作信道中自動進行信道選擇。盡管802.11n允許20 MHz/40 MHz兩種信道寬度，并且40 MHz頻寬工作模式能提供幾乎加倍的數(shù)據(jù)吞吐量，但考慮到2.4 GHz頻段僅有3個不重疊的20 MHz信道，為了盡量少占用頻譜資源，減少與其他系統(tǒng)的互干擾，802.11n設備在2.4 GHz頻段建議使用20 MHz的信道寬度。

③家庭覆蓋與布線問題

設備的無線覆蓋性能受諸多因素影響，例如，無線設備的發(fā)射功率；無線信號空中傳輸時的衰減，穿越家具和墻體時引入的路徑損耗；開放空間中無線信號的多徑效應等。這些因素中，除無線發(fā)射功率是根據(jù)國家無線電管理規(guī)定進行配置外，其余因素需通過軟硬件優(yōu)化、設備位置優(yōu)化以獲得更好的性能表現(xiàn)。結(jié)合用戶家庭實際布線情況，可以提供多種設備形態(tài)供選擇：如果設備擺放在戶型中央位置對各個房間業(yè)務輻射范圍較理想，可以選用具有AP功能的家庭網(wǎng)關(guān)同時實現(xiàn)寬帶接入和無線業(yè)務承載；一些家庭允許無線AP與家庭網(wǎng)關(guān)分離，這樣方式將更加靈活，可把無線AP布置在家庭中任何位置，而寬帶接入部分甚至可以放置在較隱蔽封閉的家庭布線箱內(nèi)；對于家庭內(nèi)無線覆蓋死角，可以通過無線中繼來延伸覆蓋范圍。圖1所示為針對無線中繼的三房兩廳用戶環(huán)境測試。無線AP向測試點1、2、3發(fā)送一路標清，無線中繼位于房型中央向測試點3轉(zhuǎn)發(fā)標清節(jié)目。當關(guān)閉中繼時，測試點1、2都可流暢播放標清節(jié)目，但因無線信號必須穿越或繞射兩堵墻，測試點3標清節(jié)目質(zhì)量主觀評價很差。當開啟中繼時，在測試點3標清節(jié)目流暢。

④業(yè)務質(zhì)量（QoS）保證問題

無線傳輸QoS保障是家庭無線承載的核心問題?；跀?shù)據(jù)包交換的WLAN傳承了以太網(wǎng)的“盡力而為”思想，無法滿足實時流媒體的傳輸要求。為此Wi-Fi組織特意推出802.11e的WMM技術(shù)，通過數(shù)據(jù)流與傳輸隊列的映射，區(qū)分出4種流類型（voice/video/best effort/background）并采取相應的優(yōu)先級調(diào)度規(guī)則，在無線數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)時為不同業(yè)務流進行不同的QoS處理。這些努力可以在目前產(chǎn)品框架內(nèi)提供一定的業(yè)務質(zhì)量優(yōu)化效果，但可能還有更多因素需要關(guān)注。例如，就無線IPTV業(yè)務來說，其對無線傳輸?shù)亩秳雍蛠G包都較敏感，對數(shù)據(jù)吞吐要求極高，一般的720p高清電視節(jié)目應至少保證10 Mbit/s，而更高質(zhì)量高清節(jié)目（例如1080p）可能需要具備QoS保障的高達50 Mbit/s的無線數(shù)據(jù)吞吐。而且，即使設備具備一定的抗干擾能力，來自2.4 GHz頻段其他共頻設備的隨機干擾仍然會導致一段時間內(nèi)系統(tǒng)性能在一定程度上下降。在這種情況下，任何QoS保障措施都可能無法挽回實際的業(yè)務質(zhì)量下降，用戶會在顯示器上看到圖像停頓和馬賽克。為解決此問題，5.8 GHz頻段無線IPTV成為一個可能的選擇，因為5.8 GHz頻段內(nèi)可供使用的信道更多而且沒有被各種無線電應用充斥“污染”，便于先期引導和規(guī)劃。同時，其他方面的技術(shù)增強也有利于提升QoS保障能力，例如，采用波束成型技術(shù)和智能天線技術(shù)，優(yōu)化天線發(fā)射和接收的方向性，盡可能在提高接收機業(yè)務信號強度的同時抑制干擾信號對系統(tǒng)的影響。筆者在5.8 GHz頻段產(chǎn)品的測試環(huán)境（如圖2所示）對被測設備進行多路IPTV視頻承載測試（2路10 Mbit/s高清廣播+1路2 Mbit/s標清廣播，無線AP總計承載50 Mbit/s無線數(shù)據(jù)）。三個無線client分別位于圖中 1、2、3位置，其中 client 1距離 AP 8 m，client 2位于會議室中距離AP 20 m并間隔一堵承重墻，client 3距離AP 5 m且間隔一堵承重墻。測試中三個測試點的高清和標清視頻節(jié)目都能夠流暢播放。

⑤無線安全問題

不同于有線電纜連接方式，家庭無線網(wǎng)絡化既方便了用戶的使用，也把數(shù)據(jù)暴露在開放空間里，因此，確保無線數(shù)據(jù)安全并防止惡意攻擊變得尤為重要?；谡J證的業(yè)務訪問、安全的數(shù)據(jù)加密，已有較多文獻資料對此進行了分析，在此不再贅述。

（2）IPv4/v6 雙棧應用的支持

家庭網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡側(cè)要能同時接入IPv4和IPv6的電信網(wǎng)絡，在用戶側(cè)能接入IPv4和IPv6的用戶終端，并能保證不同協(xié)議用戶終端都能實現(xiàn)對網(wǎng)絡環(huán)境及網(wǎng)絡應用的訪問（如對IPv4和IPv6環(huán)境下的組播支持）。家庭網(wǎng)關(guān)必須在支持目前的IPv4地址獲取、管理及分配之外，增加以SLAAC、DHCP-PD等方式獲取、管理和分配IPv6地址的能力，并實現(xiàn)相應的路由轉(zhuǎn)發(fā)、DNS解析、QoS、管理維護功能。

（3）安防集成方案的考慮

家庭安防是家庭物聯(lián)網(wǎng)的典型應用，在家庭網(wǎng)關(guān)中集成安防主要有兩種不同的解決方案：窄帶方案和寬帶方案。窄帶方案采用DTMF方式上報警情，具有實現(xiàn)簡單且應用較廣泛的優(yōu)點，但需要占用一路電話線路，且報警速度較慢（一次上報耗時約20 s），不適于視頻聯(lián)動處理，不便于遠程管控。寬帶方案采用IP數(shù)據(jù)方式上報警情，不僅無需占用電話線路，而且報警及時（上報警情為毫秒級），可視頻聯(lián)動拍照、錄像，還可方便地進行遠程管控。采用寬帶方案又有兩種不同的集成方式，其中以太網(wǎng)口集成方式不僅需要占用內(nèi)部的以太網(wǎng)口資源，而且對芯片處理性能要求較高，因此成本也相對較高，而采用COM接口集成正好可以規(guī)避上述缺點。

（4）備電分析

小型設備常用的備電方式有UPS和可充電電池2種，其中UPS備電由于多采用鉛蓄電池，體積大且對環(huán)境污染強，因此在家庭用戶中的接受程度較低，所以家庭網(wǎng)關(guān)應優(yōu)先選擇使用可充電電池提供備電。具體實現(xiàn)方式是：家庭網(wǎng)關(guān)的電源模塊增加可充電電池插座和充放電控制電路，用戶使用家庭網(wǎng)關(guān)時將可充電電池插入電源模塊上的電池插座，在家庭電源正常時，電網(wǎng)電源直接給家庭網(wǎng)關(guān)供電，同時充放電控制電路使用電網(wǎng)電源給可充電電池充電；在電網(wǎng)電源斷開時，充放電控制電路立即切換鋰電池向家庭網(wǎng)關(guān)供電，實現(xiàn)電源供應的無間斷切換，保證用戶業(yè)務持續(xù)使用。家庭網(wǎng)關(guān)可采用的可充電電池有鎳氫電池和鋰電池2種，在相同體積時，鋰離子電池較鎳氫電池輕，并且容量大，待機時間較長，但價格較鎳氫電池貴，考慮到家庭環(huán)境對設備體積的限制和用戶的接受程度，家庭網(wǎng)關(guān)可優(yōu)選使用鋰電池。根據(jù)可充電電池是否外露，備電池的裝配方式可分為內(nèi)置式和外插式，內(nèi)置式設備外形美觀，牢固性好，但更換電池比較復雜，外插式的外觀整體性差，牢固性弱，但電池裝拆方便。

（5）遠程管理

TR069系列協(xié)議規(guī)范了對寬帶網(wǎng)絡中的終端設備，如家庭網(wǎng)關(guān)、IPTV機頂盒、VoIP終端、網(wǎng)絡攝像頭等進行遠程業(yè)務配置和設備管理的協(xié)議，為寬帶終端的可管可控提供了有效的手段?；赥R069協(xié)議的終端遠程管理系統(tǒng)北向接口和運營支撐系統(tǒng)相連，南向接口通過實時的TR069管理通道連接到家庭網(wǎng)關(guān)以及家庭內(nèi)的應用終端，提供了業(yè)務的遠程配置、遠程軟件/配置升級、遠程監(jiān)控和遠程故障診斷等功能，從而實現(xiàn)便捷的業(yè)務開通、靈活的業(yè)務加載、遠程故障排除、第一時間的新業(yè)務發(fā)布和體驗等，能夠全方位地提升家庭用戶申請及使用業(yè)務的方便性、舒適度和滿意度，大大增加用戶粘著度。

5 結(jié)束語

基于上述分析，筆者認為，電信運營商應本著提高用戶感受、綜合承載各種新型業(yè)務、占領(lǐng)新一輪競爭制高點的宗旨，以寬帶提速為切入，加強有線和無線的無縫融合，提升寬帶競爭的“硬實力”，重點推進以高速、融合、精品為核心的家庭網(wǎng)絡應用開發(fā)，通過家庭全無線解決方案解決家庭布線和提升用戶體驗，提供高清視頻、無繩語音、高速上網(wǎng)、家庭監(jiān)控及安防等綜合業(yè)務，打造寬帶差異化優(yōu)勢，促進高帶寬業(yè)務發(fā)展。利用現(xiàn)有平臺和資源，以用戶為核心，在四屏之間形成良好的信息資訊傳遞和服務的統(tǒng)一，帶動終端制造、內(nèi)容提供、互動業(yè)務等價值鏈中合作伙伴的發(fā)展，共同推動三網(wǎng)融合所孕育的巨大市場機會。