陈小平产业观察

你的家庭数字了吗？

康佳研究院 陈小平

(2005年6月23日)

数字家庭的概念被一些电脑厂商和家电厂商喊了有好几年了，我们家里的数码产品添加了不少，先是买了电脑，后来又买了调制解调器上了网，然后是MP3播放机、数码相机等也一件件买回了家，现在又盼着安装数字电视机顶盒、IPTV机顶盒等等等等，但是数字家庭的感觉我好像是一点也没有。问题出在哪儿呢？

实际上我们现在的家庭娱乐是围绕着两个中心来开展的，电脑加互联网是真正的数字中心，所有的数字信息都存放在里面，但在其上欣赏视音频内容却是令大部分人都无法满意的。电视加音响构成的家庭影院才是我们喜欢的影音娱乐工具，遗憾的是支持的数字内容太少。真正的数字家庭就是要在家庭内部构造一个网络，即将家庭中各种家电或数字设备联成一个整体，实现互连互通和资源共享。这将为我们带来许多新的体验，例如通过电视上网，在家庭音响上播放MP3音频文件，将数码相机拍摄的图片上传到PC，在电视上播放电脑或网上的视频内容或图片，无线打印，等等。

家庭联网的方式主要分有线和无线两种。由于家庭内部网要传送大量的视音频流，带宽要求很高，如高清晰度数字电视采用的MPEG-2压缩格式的视频流需要的带宽超过20Mbps，目前适合的有线方式主要是以太网和电力线联网（HomePlug AV）。以太网是非常成熟的局域网主流技术，问题是我们大部分家庭在装修的时候根本还没有数字家庭的概念，即使有宽带运营商在建筑内布了线，也仅给每家留了一个接口，要在装修好了的家中大动干戈重新布线，大部分人都不可能接受。电力线则不同，它存在于房间的各个角落，而且建筑商在每个房间都安装了不止一个插头，是家庭网络最方便的载体。无线方式同样不需要布线，目前适合的主要有无线局域网（WLAN）和超宽带（UWB）。下面我们对这几种技术分别加以介绍。

HomePlug AV

电的应用为人类带来了第二次工业革命，通过一百多年来的发展，电力线已无处不在。电力线并不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得电力线通讯的实用化成为可能。最早的电力线通讯是一种称之为“脉冲控制”的通信系统，该系统提供速率极低的单向通信，发射机功率为数十千瓦，主要用于路灯及负荷控制。20世纪50年代以来，人们开始研究电力线（主要为高压）通道的高频特性（5kHz～500kHz），并在此基础上开发了电力系统调度通信及广泛使用的电力线载波机。20世纪90年代国外开始研究电力线（主要为低压及中压）的高频特性（2MHz～80MHz），并在此基础上开发了实用的高速电力线通讯产品及系统。

家庭插电联盟（HomePlug Powerline Alliance，HPA）致力于创造共同的电力线网络通信技术标准，现已发展成为由近百家公司组成的联盟。2001年6月，HPA发布了其标准的第1个版本HomePlug 1.0，将数据传输速率定为14Mbit/s，采用OFDM调制解调技术，MAC层协议为CSMA/CA。显然这样的数据传输率无法满足高清视频流的传输要求，且低于其竞争对手以太网、WLAN和UWB，HPA又重新制订了全新的HomePlug AV规范，该规范针对住宅电力线上传送的音频和视频流内容进行优化。HomePlug AV的传输速度为200Mbit/秒。为了确保QoS，采用了TDMA（时分多路访问）与CSMA（带有冲突检测机能的载体侦听多重访问）协议。

电力线联网还未获得广泛接受的原因是人们对其提供的通信质量还有疑虑，除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外，噪声是影响电力线数据可靠通信的关键因素。另外由于高速电力线通讯需要在电力线上注入高频信号（2MHz～30MHz），有可能给其他通信系统带来电磁干扰，因此高速电力线通讯电磁兼容标准的制定是制约其在各国快速发展的主要因素。

WLAN

WLAN是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。与有线方式相比，利用无线方式来构建家庭内部局域网络有着非常明显的优势。第一，它不破坏家居装饰，没有复杂连线；第二，如果遇到线路故障，能够迅速确定问题的所在；第三，无论你的家是什么结构，只要在无线覆盖的范围内都可以实现自由的漫游。

美国电气及电子工程师学会（IEEE）于1990年11月成立802.11委员会，着手制定无线局域网标准。802.11b是如今普及最广和应用最多的WLAN规格，802.11b工作在与无绳电话、微波炉等一样无需申请的2.4GHz频段，可以在相距50至100米的距离内实现设备间的通信。此外，基于802.11b的WLAN产品还具有抗障碍物能力强，可以在公众WLAN接入服务中使用，产品价格低等特点，而且也正是这些因素推动了无线局域网的发展。在以前，家庭网络主要用来共享打印机及宽带访问，因此带宽要求较低。即使2003年出现的主要用于从书房中的PC向家中另一处的电视机传输音乐及数字照片的“数字媒体适配器”，802.11b最大11Mbps的数据传输速率仍然可以很好地满足这些使用要求。

当消费者体验到可在家中任何地方访问其音乐及照片内容的便利性后，自然又对在家中任何位置欣赏视频内容提出了要求。这就需要有更高数据传输率、对实时性内容具有服务质量保证（QoS）的新标准。802.11a的出现在很大程度上解决了802.11b所存在的欠缺。802.11a最大能够提供54Mbps的传输带宽，但由于使用在5GHz频段上，一则需要申请，二来与802.11b存在兼容性问题，使得802.11a的市场推广并不成功。802.11g的应运而生在很大程度上解决了这一问题，它也工作在公用的2.4GHz频段上，但速度比目前流行的802.11b快4倍，可达到54Mbps，而且对障碍物的穿透能力也较强。此外，在性能方面与802.11a相似，而价格却比802.11a便宜，加上它可兼容802.11b，所以802.11g迅速成为WLAN市场的热门。

802.11无线媒体是一种共享资源，设备使用分布式访问机制——载波侦听多路访问/冲突仲裁(CSMA/CA)来争夺访问权。分布式协调功能(DCF)是CSMA/CA的基础。为更好地传输视频等更高位速率内容，QoS机制被引入到802.11系列标准中。802.11e包括用于构建优先级数据队列的“增强控制点功能(EDCF)”以及可提供轮询机制的“混合协调功能(HCF)”等方法。而像“帧猝发(Frame Bursting)”这样的技术则被用来通过减少协议开销以提高吞吐量。另一项标准——802.11n目前正在开发之中，将单个802.11信道的链路传输速率从当前最大的54Mbps提高至超过100Mbps甚至更高。这一技术将能支持家庭网络中的多路HDTV无线传输。

目前对WLAN的担心主要在于它的抗干扰性和安全性上面。由于802.11b/g的工作频段为2.4Ghz，而工业上许多设备的频段也正好在这一频段上（如微波炉等），因此就抗干扰性而言，802.11a要好很多。另外值得注意的是，手机信号对无线网络的干扰比较大，因此在使用时应尽量远离无线接入点，以免影响无线网络的连接质量。另外，WLAN的覆盖范围波及到左邻右舍，隔壁邻居可能会截获到你的家庭内部网传输的数据流，从而暴露你的隐私。UWB

超宽带（UWB）是一种全新的无线连接技术。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能实现数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。与蓝牙和IEEE 802.11a/b/g等带宽相对较窄的传统无线系统不同，UWB能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲。较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据，意味着UWB引起的干扰小于传统的无线解决方案，并能够在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。

围绕UWB的标准之争从一开始就非常激烈。曾经有二十几个标准参与竞争，目前只剩下了两个，它们是来自Freescale的DS-UWB和由TI倡导的MBOA。实际上UWB是个完整的架构，DS-UWB和MBOA是构成其最底层（物理层）的调制方式，其上还包括无线USB；无线1394；应用层协议子集；DLNA兼容（DLNA是数字生活网络联盟的缩写Digital Living Network Alliance）；协议适应层（Protocol Adaption Layer）；即插即用/IP（UPnP/IP）协议适应层；无线多媒体（WiMedia）汇聚平台等。

获得USB的支持和支持USB对UWB是非常重要的，无线USB的目的是消除线缆，而用无线的方式收发信号。在PC主机和外设这两端依然以USB的方式工作，而无线发射这一块使用UWB的射频，由于1394的设备和其他设备（非USB和1394）也需要通过UWB的射频来进行无线收发，他们将在WiMedia这一层汇聚，不管原来是什么信号，在经过WiMedia汇聚层后转换成相同的信号传送给物理层发射。换句话说，就是要分享UWB射频。

同样1394也是非常重要的，特别是在消费电子市场上。1394与USB最大的不同是外设与外设之间可以直接通讯。USB采用主/从的架构，比较多见的主机是PC机，而其他外设都是从设备，他们或直接或经由集线器（Hub）连到主机，所有的操作必须由主机来主导，这很适合于PC及其周边设备的应用，但显然不适合于消费电子产品的互联；1394采用对等的架构（peer-to-peer），联网的设备彼此之间都可以通讯，例如机顶盒和DVD机可以同时播放，而电视机和刻录机可以选择其中的任何一个节目源，而这并不需要一台主机的控制。

有线技术在其规格定义的距离中数据传输速率是一个常值，但无线传输技术（UWB和WLAN）却无法实现，它们的传输速率随着距离的增加急剧下降，如UWB在1米的距离可以实现480 Mbps，相当于桌面范围的应用，当距离增加到10米时，传输速率就下降到100 Mbps，这只相当于一个房间的范围，也就是所谓的微微网。UWB技术的其他不足还有：对其他无线接口可能存在干扰，反过来也会受到其他无线接口的干扰，由于UWB是相对比较新的技术，它还无法要求对它的频带提供保护；发射的高频电磁波有可能对人体有害；不容易加密，所以存在被恶意截取个人信息的隐患；会受到周围环境和气候的影响，等等。

从以上的讨论来看，除了UWB已经是一个家庭网络的完整架构以外，其它的联网方式还都是物理层上的连结，真正要实现家庭内部网上所有设备的互联互通，协同工作，还需要上层协议的支持，也就是我们经常听说的闪联、DLNA、UPnP等协议，这是我们下篇文章要讨论的内容。