基于HomeRF的家庭寬帶網(wǎng)絡

【摘　要】討論了HomeRF技術的原理和機制，并與其它幾種家庭網(wǎng)絡技術作了比較。
??? 關鍵詞：家庭網(wǎng)絡 共享無線接入?yún)f(xié)議 HomeRF技術

1 引　言
　　為了解決消費類電子設備（如PC機、可視電話、無繩電話、PDA等）之間互聯(lián)的問題，使它們之間能實現(xiàn)信息共享，各種家庭網(wǎng)絡技術應運而生。
　　目前最引人注目的家庭網(wǎng)絡技術有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工作小組致力于實現(xiàn)PC與其它來自不同國度、不同制造商的家用電器設備之間的數(shù)字通信。它制定的共享無線接入?yún)f(xié)議（Share Wirle ss Access Protocol，SWAP）結合了DECT和IEEE802．11的特點，提供了對語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的支持，非常適合家居環(huán)境中的組網(wǎng)。
2 HomeRF技術
??? HomeRF的SWAP協(xié)議模型見圖1，其協(xié)議層次與OSI網(wǎng)絡模型有一定的映射關系，但不是完全一一對應。在SWAP中，MAC（介質訪問層）對應數(shù)據(jù)鏈路層，在其上的協(xié)議層則根據(jù)開展的業(yè)務不同而有所差異，它用TCP/IP承載數(shù)據(jù)業(yè)務、UDP/IP承載流業(yè)務（諸如視頻數(shù)據(jù)流等），同時，為了提供高質量的語音業(yè)務，還集成了DECT協(xié)議。
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2．1 物理層
　　HomeRF工作在2.4GHz頻段，它采用數(shù)字跳頻擴頻技術，速率為50跳/s，共有75個帶寬為1MHz的跳頻信道。調(diào)制方式為恒定包絡的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2Mb/s。最新版HomeRF2.x中，采用了WBFH（Wide BandFrequency Hopping）技術來增加跳頻帶寬，由原來的1MHz增加到3MHz、5MHz，跳頻的速率也增加到75跳/s，當然其數(shù)據(jù)峰值也高達10Mb/s，接近IEEE802．11b標準的11Mb/s，能滿足未來的家庭寬帶通信。它能根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率動態(tài)調(diào)整跳頻帶寬，當傳輸速率較低（＜2Mb／s）時，采用1MHz的帶寬，當速率為10Mb／s時，則用5MHz的帶寬進行通信，如圖2所示。
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　　SWAP系統(tǒng)的功耗非常低，100mPW就能覆蓋40米左右的范圍，可以實現(xiàn)一般用戶居室和花園的無縫覆蓋 。
2．2 介質訪問層（MAC）
　　SWAP的MAC層就相當于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將一個跳頻點上的大部分時間用于數(shù)據(jù)通信，同時根據(jù)激活的話音信道數(shù)目，動態(tài)地為語音業(yè)務預留一部分資源，這符合了未來家庭通信以數(shù)據(jù)為主的發(fā)展趨勢。為了滿足實時通信的要求，SWAP為流業(yè)務（Stream Meadia）定義了高級別的優(yōu)先權，可以隨時占用信道資源。丟失的語音數(shù)據(jù)包，SWAP將在下一個跳頻點的起始時刻進行重傳。
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　　對于數(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多路訪問）方式，而語音業(yè)務則采用基于DECT系統(tǒng)的TDMA方式。
　　SWAP定義了兩種類型的幀結構，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合。參見圖4(a)，當網(wǎng)絡中只有數(shù)據(jù)業(yè)務時，HomeRF將使用超幀，在一個跳頻點上的通信時間為20ms，并且采用異步方式，當網(wǎng)絡中有語音業(yè)務時，采用10ms的子幀，并增加了一個標志位（圖4中的B標志），以同步方式進行通信。圖4描述了同時進行語音、數(shù)據(jù)通信時，幀結構的變化情況。
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2．3 網(wǎng)絡層
　　如圖1所示，SWAP采用了Internet的TCP／IP協(xié)議，TCP協(xié)議應用于一般的數(shù)據(jù)通信，而UDP協(xié)議用于開展流業(yè)務（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，也可以作為控制網(wǎng)絡使用。在ad－h(huán)oc結構的網(wǎng)絡中，所有的接入點之間都是平等的，既可以作為主機也可以作為路由器，由各點對網(wǎng)絡進行分布式控制，不過這種網(wǎng)絡結構只支持數(shù)據(jù)通信，而對于對時間有要求的業(yè)務（例如語音通信等），則必須采用控制網(wǎng)絡，這時就要有一個專門的控制點（Control Point，CP）對整個系統(tǒng)進行管理與協(xié)調(diào)，它通過標準的接口如USB與PC機相連，就可以成為一個接入PSTN的網(wǎng)關，同時 ，在這個CP點中加入功率管理模塊，合理安排網(wǎng)絡中各種設備的喚醒和輪詢時間，就可以延長電池使用的壽命。
　　在SWAP中，一個子網(wǎng)有一個24bit的ID號，最多能容納256個接入設備。這些接入設備主要分為四種類型：
??? ·連接點（Connection Point），相當于控制點CP，能支持語音和數(shù)據(jù)通信。
　　·語音終端設備，采用TDMA方式進行語音通信。
　　·數(shù)據(jù)節(jié)點設備，采用CSMA／CA方式進行數(shù)據(jù)通信。
　? ·其它能同時支持語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的節(jié)點設備。
　　HomeRF1．x的終端實際上就已經(jīng)能實現(xiàn)真正意義上的漫游，但是在標準協(xié)議中對越區(qū)切換和多地址沖突的問題沒有詳細的描述。新版的HomeRF2．0協(xié)議中對漫游機制進行了規(guī)范性的描述，可以實現(xiàn)終端在相鄰接入點之間的無縫切換。
2．4 語音通信
　　為了提供高質量的語音通信，HomeRF繼承了目前相當成功的無繩電話系統(tǒng)——DECT的協(xié)議與規(guī)范。
　　HomeRF2．0的話音質量可以達到4．1MOS，而一般的公用電話的質量為4．3MOS，移動電話的語音質量只有3．4MOS。由于是以DECT為基礎，HomeRF能繼續(xù)支持各種新業(yè)務，諸如呼叫等待、呼叫轉移，系統(tǒng)中可容納多達8個激活的話音信道。
　　2．4GHz ISM頻帶是對全球都開放的頻帶，廣泛應用于科研、工業(yè)、醫(yī)療系統(tǒng)中，這一頻段幾乎所有國家、企業(yè)、個人都無需申請就可以使用，因此工作在這個頻段的無線通信系統(tǒng)會遇到不可預測的干擾源，例如某些家電、無繩電話、其它的無線局域網(wǎng)、微波爐等等，這些干擾會造成分組包的丟失，為解決這個問題，HomeRF采用了重傳的機制，如圖5所示，在頻點fN處，由于外界的干擾造成語音數(shù)據(jù)包丟失，于是由CP控制點（ControlPoint）安排在下一個頻點的10ms時間里重傳。
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2．5 數(shù)據(jù)通信與流業(yè)務（Stream Media）
　　為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的高效傳輸，HomeRF采用了IEEE802．11標準中的CSMA/CA模式，它與CSMA/CD類似，以競爭的方式來獲取對信道的控制權，在一個時間點上只能有一個接入點在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)。
　　與其它協(xié)議不同的是，HomeRF提供了對流業(yè)務（Stream Media）真正意義上的支持。由于對流業(yè)務規(guī)定了高級別的優(yōu)先權并采用了帶有優(yōu)先權的重發(fā)機制，這樣就確保了實時性流業(yè)務所需的帶寬和低干擾、低誤碼。SWAP最多可以同時支持8個激活的流業(yè)務信道，這些流業(yè)務可以采用單工 、雙工及多播方式。
　　流業(yè)務的典型應用為交互式的視頻會議、無線耳機、杜比環(huán)繞立體聲等。
2．6 安全機制
　　隨機的跳頻方式以及低功率傳輸，可以有效防止外界對系統(tǒng)進行惡意攻擊及截獲數(shù)據(jù)。HomeRF對數(shù)據(jù)采用了Blowfish加密算法（有多達1萬億個碼字），進一步增加了數(shù)據(jù)的安全性 。
3 與其它家庭網(wǎng)絡協(xié)議的比較
　　家庭網(wǎng)絡主要分為兩大類：有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡。有線網(wǎng)絡主要是利用家中的電話線或電力線進行組網(wǎng)；無線網(wǎng)絡則主要是利用2．4GHz頻段的無線資源組網(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)有電話線上實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡的標準，有1．0和2．0兩個版本，其中HPNA1．0支持1Mbps的傳輸速率，而HPNA2．0可以達到2Mbps。
　　HomePNA采用頻分復用技術實現(xiàn)了在現(xiàn)有電話線上承載多業(yè)務而不相互干擾，不同的業(yè)務被分配到了不同的頻段。HomePNA使用簡單、維護方便，有較合適的性價比，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)在傳輸前先進行加密，而且信號衰減較快，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，而且閃電還會對設備造成威脅。目前，電力線網(wǎng)絡支持以太網(wǎng)標準，所以它們之間的軟件可以通用。
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3．2 無線組網(wǎng)
　　連接家庭網(wǎng)絡最理想的技術就是無線通信技術。目前，主要有三種家庭無線組網(wǎng)技術：IEEE802．11（無線局域網(wǎng)）、HomeRF和Bluetooth藍牙技術。
3．2．1 IEEE802．11標準
　　IEEE802．11是無線局域網(wǎng)標準，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跳頻擴譜以及DSSS直擴方式。其MAC層采用了CSMA／CA載波監(jiān)聽多重訪問／沖突避免（Carrier Sense Multi ple Access with Collision Avoidance）協(xié)議。 802.11a和802．11b是兩個擴展的標準，802．11a工作在5GHz頻段，傳輸速率高達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11Mb／s。
　　不過，IEEE802．11產(chǎn)品與HomeRF相比，價格過高，而且目前它只支持數(shù)據(jù)通信。
3．2．2　Bluetooth技術
　　藍牙計劃是由愛立信、諾基亞、英特爾和東芝等五大公司發(fā)起的，它的目標是提供一種通用的無線接口標準，用微波取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡中錯綜復雜的電纜，在藍牙設備間實現(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的速率進行跳頻通信，以2.45GHz為中心頻率，選用了79頻點，信道帶寬為1MHz。在發(fā)射帶寬為1MHz時，其有效數(shù)據(jù)速率為721 kbit／s，通信范圍約為10米。藍牙規(guī)范的協(xié)議棧采用分層結構，完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸、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)務質量（QoS）、協(xié)議的復用和分用等功能。
　　目前，藍牙技術得到了許多廠家的支持，但其在家居環(huán)境下的通信質量依然不太理想，與HomeRF相比，抗干擾能力不強，而且受到干擾后，數(shù)據(jù)速率迅速下降。
　　總的來講，IEEE802．11比較適于商業(yè)環(huán)境下的無線網(wǎng)絡，藍牙技術適合于移動設備之間的互連，而HomeRF則適合家居環(huán)境中的通信。表1比較了這幾種技術的特點。
4　結束語
　　HomeRF不同于其它技術之處在于，它從一開始就定位于構建家庭網(wǎng)絡，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)絡的年平均增長率將達到95%，而利用無線技術組網(wǎng)將呈逐年增長的趨勢，HomeRF技術以其良好的性價比已得到用戶的肯定。 1　Kevin J Negus．Overview of the HomeRF．http：//www．HomeRF．org