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家庭网关,家庭网关是什么意思

家庭网关,家庭网关是什么意思

HG是家庭网络最核心的构成部分。HG,一个高科技的设备,把家庭的网络设备和外部网络(主要是广域网)连接起来。先前类似功能的设备只是提供宽带接入的调制解调器,采用无线技术,让用户可以享受移动的服务。但这种传统的设备并不能满足下一代的业务以及人们对家庭集成环境的需求,因此HG作为一种提供集成多业务,多接口的宽带接入设备逐渐走近人们的视野。

HG的主要的特征包括:首先,它提供一个对HG及家庭网络设备的远程管理接口,允许用户进行远程控制;其次,HG允许特定的业务或应用连接到特定的服务平台,并提供特定级别的QoS;再则,它还具备识别并能充分利用家庭设备的功能;最后,通过所有家庭设备的功能集中起来,创造一个集成的家庭网络环境,让整个家庭应用更具人性化,通过简单而统一的操作模式,提供多功能的应用。

关键的技术问题之HG的功能演进架构:HG架构工作的目标是定义一个可扩展的支持多业务的基本架构。GW的功能可以做到包括整个家庭网络在内,也可以小到仅仅充当一个调制解调器的功能。此外,架构的设计同样需要在功率开销,价格等方面进行权衡。

关键的技术问题之家庭设备的高级集成及QoS策略:高级集成的目标是提供一个设备端到端的传输,并且有能力在家庭内部网络和外部网络共享数据和业务。要实现家庭网络的集成协作,必然要求一套统一的QoS策略,家庭网络的各个元素,包括网关,家庭终端设备,网络节点等同时支持这么一套分级的QoS结构。从水平层面看,为了内外网协同工作,需要提供QoSWAN/LAN的映射,从垂直层面看,接入网和上层协议同样需要QoS接口和协作。

关键的技术问题之接入技术:同样备受关注的还包括接入技术,一个统一的接口和规范正在制定成标准,很多开放的可选技术需要确定。对于接入技术而言,xDSL和光纤技术是首先考虑应用的。而未来家庭网络的无线化趋势,使基于无线局域网的Wi-Fi或者蓝牙技术也应该得到广泛的应用。用户可以选择家庭无线网络加有线接入这种传统的模式。新近另外的一种选择也正在成为研究的热点,那就是和3G网络的结合。欧洲一些运营商正在研究把家庭网络集成到UMTS网络中,做为3G网络的一个延伸,每个HG类似于一个简化的小型微蜂窝。通过专用3G接入信道(WCDMA或HSDPA),提供任何类型的蜂窝服务,比如话音,Internet接入,下载,网络电视等。由于干扰环境局限在比较小的范围,采用HSDPA可以达到几Mbps的传输速率。这么做的另一个好处是用户移动通信终端不需要改成双模终端就可以同时使用室内室外的3G无线网络。

家庭网关应具备以下能力:

同时连接多个或不同种类的接入技术,同样家庭网络可以使用多种技术来构建;能够同时处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。

家庭网关必须能桥接接入网QoS和家庭网络的QoS;保障访问的内容不依赖于用以传送内容的硬件和传输机制;灵活的支持最新技术,建立在灵活的平台上,能够很容易升级。

按照业务和应用不同,家庭网关可以分为控制网关、应用网关和数据网关三种类型。音频和视频流是应用网关中的重要特性,因为它们使用户可以预订基于Web的服务,比如:点播和VoIP通话特性。

通过家庭应用网关可以完成以下业务。家庭上网业务:IPTV业务,包括家庭网关支持视频点播、直播业务及远程教育;网上游戏业务:包括网关设备支持网络游戏终端开展游戏业务;IP电话、可视电话、家庭视频监控业务,控制网关可以实现远程网络上的家庭控制和安全服务管理。例如:拥有家庭控制网关的用户可以在工作或外出期间,访问自动化照明、供热和安全系统。

家庭控制网关还允许网络服务供应商提供全新的服务程序包,并创造新的收入来源。例如:通过与本地公共事业单位的联合,服务供应商可以安全地向消费者提交能源消耗的形式,并提供日使用定价等多样的通知方式。

家庭网关的应用前景

家庭网关的应用将会是大量的。其最大和最多的应用是在家庭内多个PC同时共享一个宽带网络接入。例如,家中的小孩可以接入Web来学习学校的课程,同时另外一个家庭成员可以同时进行网上购物。多个人可以同时进行网络操作,而不需要等待其他人完成操作。

家庭网关的应用不仅仅是高速Internet的接入,未来的宽带接入进入家庭后,将会带来更多的服务内容,不仅是Internet的接入,还有混合视频和音频信息流的可视电话,以及其它交互形式的娱乐服务,如网络游戏等。家庭网关将执行智能化的路由算法,把这些信息流(数据)分配给各种电话、智能电器、数字电视和音响等设备。例如,高级的家庭网关可以使用呼叫者ID信息来发送电话呼叫给家庭内某个电话,儿童的电话只能送到他们的房间,或晚上10点以后的电话呼叫(不包括紧急电话)只能送到远离卧室的地方。

上述技术如何应用到家庭内存在着许多新的发展趋势。首先是高速宽带Internet接入进入家庭。当前大约有1%的美国家庭拥有DSL、Cable调制解调器,到1999年末有超出1百万的美国家庭安装。Forrester 研究机构预计到2003年将有超出2千万美国家庭拥有通过DSL或Cable调制解调器的宽带接入。

其次,连网家庭的数目到2002年也将快速增长。Jupiter 通讯公司预计届时将有1千5百万的家庭网络。家庭网络的发展趋势将因家庭内存在多个PC,以及其他电气设备的使用而得以加速。在1999年,有60%新的PC购买是来自已有一个PC的家庭。目前已有大约15%的美国家庭拥有多个PC。

无论对于何种家庭网关的定义,一个面向现在和未来应用的家庭网络,家庭综合布线应是成为这些网络应用的基础,没有合理的布线系统,如何能让家庭网关给我们提供个性化的网络服务呢?在此,综合布线的作用已不言而语.

构建下一代家庭网关所面临的技术挑战及其解决方法

随着三重播放时代的到来,网络运营商如今越来越需要能为用户提供具有QoS保证的端对端业务的技术。当采用新业务模式时,服务提供商需要更好地服务用户并留住用户群体,WLAN家庭网关在此过程当中具有重要地位。

网络运营商需要新的家庭网关技术以便让用户能连接家里尽可能多的设备。网络运营商可利用这些设备捆绑多种业务,并控制从基础设施到终端设备等家庭网络中所有设备上的业务。基于802.11标准的WLAN设备正迅速成为家庭网络终端用户认可的事实标准。基于802.11的WLAN家庭网关超过基于其它有线或无线标准(如以太网、HPNA、HomePlug、UWB和蓝牙)的设备而成为最受欢迎的家庭网络设备,其原因有多种。但最主要的原因,是它们使用无需授权的频带以及标准802.11技术,另外它们还能解决网络覆盖范围、端对端业务管理以及QoS等重要问题。

DSL网关面临的挑战

基于DSL的业务可望继续超过有线调制解调器或WiMAX业务而成为全球最受欢迎的宽带业务,大多数DSL用户将选择WLAN家庭网关来连接家中的用户端设备(CPE)。为在这个正迅速转向单机解决方案的成长市场中取得领先地位,基于DSL的WLAN网关制造商必须战胜多个挑战。

 

图1:家庭网关的结构框图

这些挑战包括:(1)速率/范围——WLAN网关的覆盖范围必须遍及家里每个角落,而且无论设备距离网关有多远,网关都必须提供高的数据吞吐率;(2)干扰/串扰——随著无线设备的数量不断增加,网络拥塞等相关问题的出现机会越来越大;(3)支持未来新兴业务——设备必须能支持VoIP和视频等新兴业务;(4)安全性/网络管理——设备必须安全、易于使用,并可让服务提供商帮助用户排除用户端故障;(5)发射功率——网关应采用符合世界各地发射功率标准的通用解决方案;(6)成本效益。

尽管面临许多挑战,但设备设计工程师和制造商正在开发相关硬件和软件技术来解决这些问题。然而,他们采用的技术必须保证不将WLAN网关的成本增加到底线以上,或者不能给制造过程增加太多的复杂性。下面将讨论的设计工程师使用的几种硬件和软件技术,能使WLAN网关满足服务提供商和最终用户的需求。

峰值性能

一个需要特别关注的与硬件有关的问题是RF性能,它会影响网关的数据传输速率和覆盖范围。如果RF性能过低,家庭网络覆盖将会出现盲区。幸运的是,目前已有多种技术可用来解决这个与硬件有关的RF性能问题。合理地应用这些技术能让WLAN家庭网关的覆盖范围到达家中每个角落,这种网络覆盖针对拥挤网络环境里的多台设备进行了优化。

改善RF性能的方法之一是增加输出功率并提高无线电的接收灵敏度。但要注意,每个国家对无需授权的无线电的发射功率都有限制,例如美国就规定此类设备的最大输出功率不可超过30dBm。最理想的解决方案应该能同时增加WLAN信号的输出功率和WLAN设备的接收灵敏度,这两个因素都能大幅度改善家庭网关的覆盖范围。但设计工程师必须特别注意,以确保这些解决方案不会增加设备的成本或复杂性。有了系统设计层面的长远考虑及创新,设计工程师就可通过增加发射功率和提高接收机的灵敏度来扩大802.11 WLAN网络的覆盖范围。

采用波束指向或智能天线设计等其它技术也能解决传输速率、覆盖范围问题并消除覆盖盲区,但这两种技术都需要有软件和硬件支持。另外,在网关设计中采用这些技术,高昂的设计和验证成本也可能是一个挑战。为家庭网络环境提供更高数据传输速率的发展中的802.11n标准,通过使用智能天线技术可解决这些问题。

除了功率和天线设计问题外,噪声也会降低RF性能。因为家庭网关具有以太网和DSL PHY等高速接口,或者在电路板上具有WLAN子系统和DSL子系统之间的串行或并行接口,所以在家庭网关里更容易产生噪声耦合。为解决这个问题,必须将RF的噪声源与电路板的其余部分进行隔离,并对噪声源进行屏蔽。鲁棒的RF架构和智能的布线设计对避免噪声耦合问题也是很有必要的。

干扰是WLAN家庭网关设计工程师面对的另一个与硬件有关的问题。这个问题通常会影响WLAN技术:近距离工作的802.11无线设备越多,它们相互干扰的机会就越大,甚至没有连接到WLAN网关的无线设备都可能产生干扰,比如车库门开门机、微波炉和蓝牙设备。 此外,随着2.4GHz频带日益拥挤,干扰对802.11g性能的影响越来越大。由于802.11g正交频分多址(OFDM)接收机比802.11b接收机更容易受到干扰,因此这个问题将变得更加严重。

其它潜在的干扰源还包括来自其它接入点和无线工作站的邻信道干扰(ACI),以及由无线ISP、无绳电话和2.4GHz频带附近的高功率无线电发射机产生的信号。对信道间隔为5MHz的2.4GHz频带来说,802.11的ACI问题尤为棘手。

因为干扰问题只会变得越来越严重,所以WLAN家庭网关设计必须足够鲁棒,以应付现有和未来的干扰源。要达到这个目的,在家庭网关所采用的芯片中,其算法或智能设计必须确保家庭网关能抵御来自多个干扰源的多类型干扰。例如,可采用窄带里的有效算法来提供能量检测和包检测机制,以缓解2.4GHz频带的干扰问题。

可制造性和成本

在提高家庭网关的性能和可靠性的同时,设计工程师还必须确保他们所设计的终端产品具有很好的可制造性以及最低的成本。网关设计应能在最短时间内实现最高的制造良率,产品质量也必须保持稳定一致。

提高家庭网关可制造性的一个方法,是通过把更多功能集成到单机解决方案中来优化设计。如今的网关设计采用单主板架构或者双板子卡架构,选择的架构不同,成本和可制造性就会不一样。最后,网关必须具有强大的自我校准功能,并能在芯片里内置制造软件支持。 另一个硬件方面挑战是要尽量降低BOM成本,进一步在芯片里集成更多功能以及减小存储器的封装都有助于降低BOM成本。

易于使用

家庭网关使用的软件应该有助于提高产品的即插即用性能。产品使用越方便,则用户的满意度越高,购买和经常使用新业务的机会也就越大。对家庭网关来说,安全功能设置简单并具有帮助用户排除用户端故障的能力都非常关键。

为使事情简单化,服务提供商不仅希望能用家庭网关来管理提供给用户的无线家庭网络业务,还希望对业务进行端到端的可视化监控。因此,那些具有能让服务提供商找出用户端设备问题的诊断和故障排除工具的设备非常受欢迎。尽管目前软件所要解决的问题就是这些,但它们很快就会被要求支持新兴业务,比如漫游、视频业务,以及把进入到家庭网络范围的手机切换到移动VoIP模式。

由于易于使用是如此重要的一个因素,所以设计工程师应该在网关里集成一套灵活的模块化软件,该软件具有丰富的API,可使设备制造商很容易地用它来设计家庭网关,以满足独特的家庭网络需求。因此,家庭网关不仅需要支持实时和嵌入式操作系统,还要集成与运用多种技术,并使最终用户能构建并使用客户应用程序。

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图2:家庭网关的架构演进

另一个软件方面的挑战,是在电路板上的每个数据接口提供多级别QoS支持的同时,还要维持系统的性能。网关的DSL、以太网和WLAN接口都有各自的限制和QoS要求,要将这些接口集成到单个处理器中是有挑战的。设计工程师必须集成并优化每种级别的QoS,并使之运行在单个CPU里的单个操作系统上。

确保采用低成本主CPU的WLAN系统具有多模式性能是软件方面的另一个挑战。大多数系统在使用时都需要包串联(packet concatenation)和包聚集(packet aggregation)等很高的WLAN性能特性,以实现高的TCP/IP或UDP数据吞吐量。高速ADSL2+和多端口以太网支持则给低成本设备带来极大的WLAN性能压力。

除了降低成本之外,产品上市时间也正成为一个越来越重要的考虑因素。制造商必须在最短时间内完成新产品的设计、开发和上市。对家庭网关来说,如果有支持软件架构的公共平台,实现快速上市要更容易些,共同软件架构使家庭网关平台具有便携性和重复使用性,这将有助于大幅度缩短驱动程序的开发时间。

支持未来新兴业务的媒体设备

仅能提供数据业务的家庭网关将很快过时,服务提供商将改用具有完备媒体功能的网关。WLAN家庭网关仍会有高端和低端产品之分,但它们都需要不断改进以满足新兴的三重、四重播放业务模式需求,同时它们还必须支持很高的数据传输速率。此外,WLAN家庭网关还将需要兼容VDSL2和802.11n等新兴技术,并支持视频流传输以及视频信号的高速传输。 此外,随着家用WLAN设备数量的大幅增长,空中将充斥更多的无线信号,因此家庭网关必须足够鲁棒以便能在这样嘈杂的无线环境中工作,同时还保持稳定的性能。

毫无疑问,家庭网关在网络中的地位日益重要,它将成为服务提供商与用户之间最重要的接口。因此,这种设备必须能支持所有类型的新业务、能在任何无线网络中工作并可提供端到端QoS。预计不久将来,储存功能也将成为家庭网关的另一个重要需求。

尽管WLAN家庭网关给设计工程师带来许多挑战,但它们为服务提供商改善用户服务和增加创收提供了重要机遇,因此克服这些挑战将给服务提供商及其用户带来丰厚回报。

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