基于HomeRF的家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)

【摘　要】討論了HomeRF技術(shù)的原理和機(jī)制，并與其它幾種家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作了比較。
??? 關(guān)鍵詞：家庭網(wǎng)絡(luò) 共享無(wú)線接入?yún)f(xié)議 HomeRF技術(shù)

1 引　言
　　為了解決消費(fèi)類電子設(shè)備（如PC機(jī)、可視電話、無(wú)繩電話、PDA等）之間互聯(lián)的問(wèn)題，使它們之間能實(shí)現(xiàn)信息共享，各種家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
　　目前最引人注目的家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有HomeRF、Bluetooth、IEEE802．11(b)及HomePAN等。由ITU贊助，在Compaq、Intel、Philips、HP、IBM和Microsoft等幾大公司的參與下，HomeRF工作小組致力于實(shí)現(xiàn)PC與其它來(lái)自不同國(guó)度、不同制造商的家用電器設(shè)備之間的數(shù)字通信。它制定的共享無(wú)線接入?yún)f(xié)議（Share Wirle ss Access Protocol，SWAP）結(jié)合了DECT和IEEE802．11的特點(diǎn)，提供了對(duì)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持，非常適合家居環(huán)境中的組網(wǎng)。
2 HomeRF技術(shù)
??? HomeRF的SWAP協(xié)議模型見(jiàn)圖1，其協(xié)議層次與OSI網(wǎng)絡(luò)模型有一定的映射關(guān)系，但不是完全一一對(duì)應(yīng)。在SWAP中，MAC（介質(zhì)訪問(wèn)層）對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層，在其上的協(xié)議層則根據(jù)開(kāi)展的業(yè)務(wù)不同而有所差異，它用TCP/IP承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、UDP/IP承載流業(yè)務(wù)（諸如視頻數(shù)據(jù)流等），同時(shí)，為了提供高質(zhì)量的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，還集成了DECT協(xié)議。
???????????????????????????
2．1 物理層
　　HomeRF工作在2.4GHz頻段，它采用數(shù)字跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，速率為50跳/s，共有75個(gè)帶寬為1MHz的跳頻信道。調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK調(diào)制，分為2FSK與4FSK兩種。采用調(diào)頻調(diào)制可以有效地抑制無(wú)線環(huán)境下的干擾和衰落。
??? 在2FSK方式下，最大的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s，4FSK方式下，速率可達(dá)2Mb/s。最新版HomeRF2.x中，采用了WBFH（Wide BandFrequency Hopping）技術(shù)來(lái)增加跳頻帶寬，由原來(lái)的1MHz增加到3MHz、5MHz，跳頻的速率也增加到75跳/s，當(dāng)然其數(shù)據(jù)峰值也高達(dá)10Mb/s，接近IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)的11Mb/s，能滿足未來(lái)的家庭寬帶通信。它能根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率動(dòng)態(tài)調(diào)整跳頻帶寬，當(dāng)傳輸速率較低（＜2Mb／s）時(shí)，采用1MHz的帶寬，當(dāng)速率為10Mb／s時(shí)，則用5MHz的帶寬進(jìn)行通信，如圖2所示。
?????????????????????????????????
　　SWAP系統(tǒng)的功耗非常低，100mPW就能覆蓋40米左右的范圍，可以實(shí)現(xiàn)一般用戶居室和花園的無(wú)縫覆蓋 。
2．2 介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）
　　SWAP的MAC層就相當(dāng)于OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，因此它的功能主要是完成數(shù)據(jù)幀的封裝、拆封等。
　　如圖3所示，HomeRF將一個(gè)跳頻點(diǎn)上的大部分時(shí)間用于數(shù)據(jù)通信，同時(shí)根據(jù)激活的話音信道數(shù)目，動(dòng)態(tài)地為語(yǔ)音業(yè)務(wù)預(yù)留一部分資源，這符合了未來(lái)家庭通信以數(shù)據(jù)為主的發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足實(shí)時(shí)通信的要求，SWAP為流業(yè)務(wù)（Stream Meadia）定義了高級(jí)別的優(yōu)先權(quán)，可以隨時(shí)占用信道資源。丟失的語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，SWAP將在下一個(gè)跳頻點(diǎn)的起始時(shí)刻進(jìn)行重傳。
?????????????????
　　對(duì)于數(shù)據(jù)通信，SWAP采用了IEEE802．11中的CSMA／CA（帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）方式，而語(yǔ)音業(yè)務(wù)則采用基于DECT系統(tǒng)的TDMA方式。
　　SWAP定義了兩種類型的幀結(jié)構(gòu)，一種是20ms的超幀（Superframe），另一種是10ms的子幀(Subfram　e)，這兩種幀分別用于不同的場(chǎng)合。參見(jiàn)圖4(a)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中只有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，HomeRF將使用超幀，在一個(gè)跳頻點(diǎn)上的通信時(shí)間為20ms，并且采用異步方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，采用10ms的子幀，并增加了一個(gè)標(biāo)志位（圖4中的B標(biāo)志），以同步方式進(jìn)行通信。圖4描述了同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信時(shí)，幀結(jié)構(gòu)的變化情況。
?????????????
2．3 網(wǎng)絡(luò)層
　　如圖1所示，SWAP采用了Internet的TCP／IP協(xié)議，TCP協(xié)議應(yīng)用于一般的數(shù)據(jù)通信，而UDP協(xié)議用于開(kāi)展流業(yè)務(wù)（Stream Media）。
　　SWAP組網(wǎng)的形式非常靈活，既可以采用ad－h(huán)oc網(wǎng)絡(luò)，也可以作為控制網(wǎng)絡(luò)使用。在ad－h(huán)oc結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，所有的接入點(diǎn)之間都是平等的，既可以作為主機(jī)也可以作為路由器，由各點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式控制，不過(guò)這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，而對(duì)于對(duì)時(shí)間有要求的業(yè)務(wù)（例如語(yǔ)音通信等），則必須采用控制網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)就要有一個(gè)專門的控制點(diǎn)（Control Point，CP）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理與協(xié)調(diào)，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口如USB與PC機(jī)相連，就可以成為一個(gè)接入PSTN的網(wǎng)關(guān)，同時(shí) ，在這個(gè)CP點(diǎn)中加入功率管理模塊，合理安排網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的喚醒和輪詢時(shí)間，就可以延長(zhǎng)電池使用的壽命。
　　在SWAP中，一個(gè)子網(wǎng)有一個(gè)24bit的ID號(hào)，最多能容納256個(gè)接入設(shè)備。這些接入設(shè)備主要分為四種類型：
??? ·連接點(diǎn)（Connection Point），相當(dāng)于控制點(diǎn)CP，能支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。
　　·語(yǔ)音終端設(shè)備，采用TDMA方式進(jìn)行語(yǔ)音通信。
　　·數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，采用CSMA／CA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
　? ·其它能同時(shí)支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
　　HomeRF1．x的終端實(shí)際上就已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)真正意義上的漫游，但是在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中對(duì)越區(qū)切換和多地址沖突的問(wèn)題沒(méi)有詳細(xì)的描述。新版的HomeRF2．0協(xié)議中對(duì)漫游機(jī)制進(jìn)行了規(guī)范性的描述，可以實(shí)現(xiàn)終端在相鄰接入點(diǎn)之間的無(wú)縫切換。
2．4 語(yǔ)音通信
　　為了提供高質(zhì)量的語(yǔ)音通信，HomeRF繼承了目前相當(dāng)成功的無(wú)繩電話系統(tǒng)——DECT的協(xié)議與規(guī)范。
　　HomeRF2．0的話音質(zhì)量可以達(dá)到4．1MOS，而一般的公用電話的質(zhì)量為4．3MOS，移動(dòng)電話的語(yǔ)音質(zhì)量只有3．4MOS。由于是以DECT為基礎(chǔ)，HomeRF能繼續(xù)支持各種新業(yè)務(wù)，諸如呼叫等待、呼叫轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)中可容納多達(dá)8個(gè)激活的話音信道。
　　2．4GHz ISM頻帶是對(duì)全球都開(kāi)放的頻帶，廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)、醫(yī)療系統(tǒng)中，這一頻段幾乎所有國(guó)家、企業(yè)、個(gè)人都無(wú)需申請(qǐng)就可以使用，因此工作在這個(gè)頻段的無(wú)線通信系統(tǒng)會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的干擾源，例如某些家電、無(wú)繩電話、其它的無(wú)線局域網(wǎng)、微波爐等等，這些干擾會(huì)造成分組包的丟失，為解決這個(gè)問(wèn)題，HomeRF采用了重傳的機(jī)制，如圖5所示，在頻點(diǎn)fN處，由于外界的干擾造成語(yǔ)音數(shù)據(jù)包丟失，于是由CP控制點(diǎn)（ControlPoint）安排在下一個(gè)頻點(diǎn)的10ms時(shí)間里重傳。
??????????????
2．5 數(shù)據(jù)通信與流業(yè)務(wù)（Stream Media）
　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的高效傳輸，HomeRF采用了IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)中的CSMA/CA模式，它與CSMA/CD類似，以競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)獲取對(duì)信道的控制權(quán)，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)接入點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。
　　與其它協(xié)議不同的是，HomeRF提供了對(duì)流業(yè)務(wù)（Stream Media）真正意義上的支持。由于對(duì)流業(yè)務(wù)規(guī)定了高級(jí)別的優(yōu)先權(quán)并采用了帶有優(yōu)先權(quán)的重發(fā)機(jī)制，這樣就確保了實(shí)時(shí)性流業(yè)務(wù)所需的帶寬和低干擾、低誤碼。SWAP最多可以同時(shí)支持8個(gè)激活的流業(yè)務(wù)信道，這些流業(yè)務(wù)可以采用單工 、雙工及多播方式。
　　流業(yè)務(wù)的典型應(yīng)用為交互式的視頻會(huì)議、無(wú)線耳機(jī)、杜比環(huán)繞立體聲等。
2．6 安全機(jī)制
　　隨機(jī)的跳頻方式以及低功率傳輸，可以有效防止外界對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行惡意攻擊及截獲數(shù)據(jù)。HomeRF對(duì)數(shù)據(jù)采用了Blowfish加密算法（有多達(dá)1萬(wàn)億個(gè)碼字），進(jìn)一步增加了數(shù)據(jù)的安全性 。
3 與其它家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的比較
　　家庭網(wǎng)絡(luò)主要分為兩大類：有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)主要是利用家中的電話線或電力線進(jìn)行組網(wǎng)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)則主要是利用2．4GHz頻段的無(wú)線資源組網(wǎng)。
3．1 有線組網(wǎng)
3．1．1　電話線組網(wǎng)
　　HPNA組織（Home Phoneline Networking Alliance）制定了在現(xiàn)有電話線上實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，有1．0和2．0兩個(gè)版本，其中HPNA1．0支持1Mbps的傳輸速率，而HPNA2．0可以達(dá)到2Mbps。
　　HomePNA采用頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有電話線上承載多業(yè)務(wù)而不相互干擾，不同的業(yè)務(wù)被分配到了不同的頻段。HomePNA使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，有較合適的性價(jià)比，支持Internet接入，支持接口V．90、ADSL和Cable Modem，而且它可以與以太網(wǎng)或HomeRF共同使用。
3．1．2　電力線組網(wǎng)
　　利用家中現(xiàn)有的電力線也可以組網(wǎng)，Enikia、Intellon和Intelogis公司正從事這方面的工作 。數(shù)據(jù)在傳輸前先進(jìn)行加密，而且信號(hào)衰減較快，從而保證了安全性。但電力線有其缺陷：易受到諸如閃電之類的干擾，而且閃電還會(huì)對(duì)設(shè)備造成威脅。目前，電力線網(wǎng)絡(luò)支持以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，所以它們之間的軟件可以通用。
????????
3．2 無(wú)線組網(wǎng)
　　連接家庭網(wǎng)絡(luò)最理想的技術(shù)就是無(wú)線通信技術(shù)。目前，主要有三種家庭無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)：IEEE802．11（無(wú)線局域網(wǎng)）、HomeRF和Bluetooth藍(lán)牙技術(shù)。
3．2．1 IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)
　　IEEE802．11是無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它主要定義了物理層和MAC層的規(guī)范。在物理層，支持紅外線、FHSS跳頻擴(kuò)譜以及DSSS直擴(kuò)方式。其MAC層采用了CSMA／CA載波監(jiān)聽(tīng)多重訪問(wèn)／沖突避免（Carrier Sense Multi ple Access with Collision Avoidance）協(xié)議。 802.11a和802．11b是兩個(gè)擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)，802．11a工作在5GHz頻段，傳輸速率高達(dá)54Mb／s，而工作在2．4GHz頻段的802．11b則適合于家居環(huán)境，最高速率可達(dá)11Mb／s。
　　不過(guò)，IEEE802．11產(chǎn)品與HomeRF相比，價(jià)格過(guò)高，而且目前它只支持?jǐn)?shù)據(jù)通信。
3．2．2　Bluetooth技術(shù)
　　藍(lán)牙計(jì)劃是由愛(ài)立信、諾基亞、英特爾和東芝等五大公司發(fā)起的，它的目標(biāo)是提供一種通用的無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)，用微波取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜，在藍(lán)牙設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本低功耗的數(shù)據(jù)和話音通信。
　　藍(lán)牙的工作頻段選在全球都可用的2．45 GHz，以1600跳／s的速率進(jìn)行跳頻通信，以2.45GHz為中心頻率，選用了79頻點(diǎn)，信道帶寬為1MHz。在發(fā)射帶寬為1MHz時(shí)，其有效數(shù)據(jù)速率為721 kbit／s，通信范圍約為10米。藍(lán)牙規(guī)范的協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)流的過(guò)濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、協(xié)議的復(fù)用和分用等功能。
　　目前，藍(lán)牙技術(shù)得到了許多廠家的支持，但其在家居環(huán)境下的通信質(zhì)量依然不太理想，與HomeRF相比，抗干擾能力不強(qiáng)，而且受到干擾后，數(shù)據(jù)速率迅速下降。
　　總的來(lái)講，IEEE802．11比較適于商業(yè)環(huán)境下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙技術(shù)適合于移動(dòng)設(shè)備之間的互連，而HomeRF則適合家居環(huán)境中的通信。表1比較了這幾種技術(shù)的特點(diǎn)。
4　結(jié)束語(yǔ)
　　HomeRF不同于其它技術(shù)之處在于，它從一開(kāi)始就定位于構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)，充分考慮了家居環(huán)境中的各種因素，因此適合今后家庭的寬帶通信。
　　在今后幾年，家庭網(wǎng)絡(luò)的年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到95%，而利用無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)將呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，HomeRF技術(shù)以其良好的性價(jià)比已得到用戶的肯定。 1　Kevin J Negus．Overview of the HomeRF．http：//www．HomeRF．org