家庭联网的技术前瞻与挑战分析

　　家庭联网是指将家庭中各种家电或数字设备联成一个网络，实现互连互通和资源共享。这将为用户带来许多全新的体验，例如通过电视上网冲浪，在家庭音响上播放MP3音频文件，将数码相机拍摄的图片以无线方式上传到PC，在电视上播放视频或图片，无线打印，等等(参考图1)。

 
图1：在数字家庭中，各种电脑

　　和家电设备通过家庭网络连接起来并协同工作，为用户提供一种“随时，随地，使用任一设备访问和欣赏任何内容”的全新应用体验。

　　家庭联网已经被视为大势所趋，让我们来看看一个联网家庭将涉及哪些连接技术。

　　作为一个家庭网络，它首先需要有一个出口与外部的互联网相连。现有的家庭宽带连接技术包括DSL、以太网、光纤到户、有线电缆等。另外，电力线上网也可以为住宅提供宽带连接，该技术目前正处在积极发展之中。上述这几种方式都是有线的连接技术。未来，WiMax将可为住宅提供无线的宽带连接，从而让偏远住处的用户可以摆脱线缆的束缚。其次，是家庭设备内部的互连，主要用于传输数据和音视频。这方面可以利用的有线技术包括以太网、1394、USB等，可以利用的无线技术有WiFi、新兴的超宽带(UWB)等。

　　再次，是一些外围和终端设备与其他设备的连接，例如手机与PC的连接，鼠标、键盘、打印机与PC的连接等。这类应用往往使用低速率的无线技术，如红外、蓝牙、ZigBee以及一些专有的2.4GHz通信技术。

　　由于市场上存在如此多不同的连接技术，所以当制造商在设计一台数字家庭设备时首先要考虑选用哪种合适的传输技术。这取决于各种因素，如成本、速率、通信范围、功耗、安全性、共存问题等。

　　从应用和设备需求的角度考虑，科胜讯公司无线数据和联网器件业务部行销副总裁Peter Kempf认为，家庭中所有移动或便携设备应该利用无线的802.11x技术。对于固定设备，今天的两个主要选择是以太网和HomePlug。“如果设备靠近住宅网关或路由器，以太网是更方便的选择。”他说，“如果设备远离路由器(如数字电视)，HomePlug，特别是200Mbps以上的HomePlug AV将成为更方便的选择。”HomePlug的独特优势在于使设备可以通过电源插座上网，因此终端用户不必在房间中另外布线。

　　TI的观点与之类似。该公司DSP部门技术战略总监Tom Flanagan认为将有两类技术统治家庭联网应用。首先是以太网，它将用于几乎所有固定设备；另一种将是某种形式的无线接口。802.11b/g/n将被广泛用于通用连网的目的，而UWB将在需要非常高带宽的场合找到用武之地。

　　当选择WiFi后，还需考虑采用何种具体的标准。Marvell公司从功耗谈论了这个问题。“对于电池供电设备，802.11g是更合适的解决方案，因为它消耗更少的功率。”该公司WLAN产品经理James Chen表示，“如果是连到照明用电的设备，我们建议看看应用。采用802.11n可以更好地适应高速应用，如传输视频流。”

　　现阶段，由于无线技术提供的带宽不够以及成本过高，许多家庭设备仍使用以太网等有线技术，只有一些新兴设备如数字媒体中心等已经开始使用WiFi等无线传输技术。可以预见，一段时间内有线与无线连接技术将在家庭网络中共存。随着未来无线技术的成熟，越来越多的家庭设备将使用无线连接，从而让用户彻底摆脱线缆的束缚。

　　除了连接方式从有线转向无线外，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。例如，从机顶盒向电视传送1068×1024分辨率的高清节目可能需要80Mbps的数据率，这就要依赖更新的传输标准，如802.11n、UWB和Homeplug AV等。 

　图2：不同无线技术的比较。
 

　　视频流传输带来的挑战

　　随着媒体中心、DVD、机顶盒与PC以无线方式互连，视频流传输将成为一个重要挑战。为了帮助中国OEM应对这种挑战，科汇推出了一种用于连接DVD与TV的无线媒体适配器。它采用802.11a/g技术，由与DVD连接的发射设备和与TV连接的接收设备组成。科汇之所以开发这样一款设备是因为目前整机制造商对于在设备中添加无线功能还处于观望状态。

　　在工作中，DVD的解码码流需要经过压缩后由射频发射出来，相应地，接收端要在解码后再把节目传递给TV。这其中包含两次解码，既繁琐又浪费处理资源。与通过外置设备来发送视频流相比，如果把WiFi功能集成到DVD中，那么DVD可以直接将原始压缩数据发射给接收端，从而免除中间不必要的编解码过程。因此，我们可以认为该款无线媒体适配器是数字家庭的一种雏形设备。

　　“现在科汇把它设计成独立设备，是为了让整机厂商可以提供现成产品给用户购买。”吴志伟表示，“无线功能以后一定会整合到TV等设备中。”不久后，我们也许可以看到制造商在销售DVD时同时搭售这种无线媒体适配器。

　　根据表1所示，发送DVD码流需要6-8Mbps的带宽。尽管802.11a/g的最大速率是54Mbps，但这是在理想环境下；在现实中，由于墙壁的阻隔和干扰的存在，802.11a/g要应付这种速率的传输依然比较吃力。因此，带宽是一个主要挑战，而且未来将变得更严重。

　　例如，现在的家庭普遍有2-3台电视，如果为每台电视配一台机顶盒，势必造成资源浪费。为此，业界要设法让一台机顶盒支持多台电视。这有两种模式：一种是广播模式，STB只发射一个频道供所有电视收看，这种方法简单易行，但限制了用户的选择；另一种是允许用户选择不同频道的模式，这要求STB在一个信道中传输多套节目。“传送一个模拟频道需要20Mbps的带宽，2个频道就需要40Mbps。”吴志伟说。对带宽的增长需求还来自下一代电视标准，例如DTV需要30Mbps，HDTV更需要80Mbps。此外，随着HD-DVD的推出，它也需要更大的无线带宽。

　　针对视频流传输带来的挑战，科胜讯的Peter Kempf认为：“关键就是要提供足够的带宽，并把服务质量(QoS)集成到系统中。”挑战也意味着机遇，有两种无线技术将就此应用展开竞争。正在拟定中的802.11n预计将把WiFi速率从54Mbps提高到100Mbps以上，以满足多媒体的传输要求。UWB可以提供480Mbps的最大速率，也瞄准高清视频流的传输应用。

 
表1：家庭多媒体应用对QoS的要求。
 
　　为802.11n 标准贡献技术的Airgo公司指出，借助MIMO-OFDM(多入多出－正交频分复用)技术，WiFi产品最终能提供传送多媒体流所要求的范围、速度和可靠性。MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。MIMO-OFDM技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容限，使无线网络的有效传输速率达到质的提升。除此之外，802.11n还对802.11标准的单一MAC层协议进行了优化，改变了数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管理检错所占的字节数，从而大大提升了网络的吞吐量。

　　802.11n还解决了802.11a/b/g缺少QoS的问题。为了解决802.11标准中的QoS问题，802.11e中加入了频宽、流量管理机制，让影音传输能即时、定量，从而使多媒体应用保持顺畅，Wi-Fi联盟将此称为WMM(Wi-Fi Multimedia)。Marvell公司产品经理James Chen认为：“WMM为QoS提供了很好的保障。”总之，整合了802.11e的802.11n不仅具有QoS，还能够提供足够高的带宽，可以满足视频流的传播要求。

　　与Wi-Fi相比， UWB从设计开始就关注了QoS，而且UWB的高吞吐量(2米内高达480Mbps，10米范围仍可达到110Mbps)也能够帮助其保持传输品质。飞思卡尔半导体香港有限公司无线和移动系统部无线产品部市场经理Victor Kwong很看好UWB在家庭网络中的应用。针对DS-UWB与MBOA两个阵营的争执，他表示：“UWB论坛已经提议利用公共信令模式(CSM)来解决不同UWB物理层的和平共存问题，这将保证QoS和吞吐量。”包含CSM的UWB设备与那些仅支持单一UWB技术的设备相比，不仅应用范围将更广，而且可以使可升级的UWB设备具有互操作性，同时防止与其它UWB设备之间产生不必要的干扰。

　　除上述无线技术外，科胜讯的Peter认为用于家庭联网的电力线技术，也能满足高清视频流的传输。最新的电力线标准HomePlug AV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlug AV采用了时分多路访问(TDMA)与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问(CSMA)协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。