网络家电可应用的底层通信协议

适合网络家电的无线通信协议王莹2006年7月主要内容网络家电与家庭网络简介底层通信协议中间层通信协议关键技术展望讨论网络家电与家庭网络简介网络家电发展简介网络家电是随着计算机技术、通信技术和Internet网技术的发展而发展1998年日本出现第一台网络冰箱1999年BillGates访问中国，提出“维纳斯”计划，而后提出WindowsCE2003年市场总额达到4500亿美金家庭网络概念家庭网络就是将家庭内部的孤立的家用电器、通讯设备、安全设备等通过通过一定的传输介质(如电力线、双绞线、无线电、红外等)组成一个网络系统，采用统一的通信协议，实现家庭内部之间的互通和与Internet的互联。实现家庭内部各种信息终端的高速信息共享。达到信息交换、共享的目的，实现智能控制、远程通信、多媒体服务、管理、安防等。网络家电与家庭网络网络家电是智能家庭网络的重要组成部分网络家电网络家电硬件家电芯片控制接口高层互联技术物理层接入技术家庭网关认证、防火墙Qos等功能物理层接入技术互联网GSM网络拓扑结构家庭网络四层模型4用户层3中间件层2底层协议层1物理媒体层底层通信协议IEEE1393X-10CEBusLonWorksBluetoothHomeRFUWBIEEE802.11b主流无线底层通信协议Bluetooth简介全球统一的开放技术，发展非常迅速它适用于短距离(约10m)范围内,如果增大发射功率,其传输距离可达100m，带宽1Mbps采用FHSS（跳频扩频）和TDMA（时分多址）技术，跳频速度快，抗干扰性强，前向纠错可以限制噪声的影响同时可传输语音和数据，每个语音信道数据速率为64kbit/s完整的加密和鉴权机制，满足了无线通信安全性的要求蓝牙具有价格低廉，连接的普遍性、标准的开放性以及很强的扩展性GoalsThethree-in-onephone.youareabletousethesamephonewhereveryouare.Thebriefcasetrick.Usee-mailwhileyournotebookisstillinthebriefcase.Theautomaticsynchronizer.Automaticsynchronizationofdataonyourdesktop,notebook,personaldigitalassistant(PDA),andmobilephone.Bluetoothconnection2.4GBluetoothradioBluetoothlinkcontrollerBluetoothlinkManager&I/OHOSTApplicationFrameworkNetworktopologybothpoint-to-pointandpointto-multipointconnectionsEachpiconetisdefinedbyadifferentfrequencyhoppingchannel.Allunitsparticipatinginthesamepiconetaresynchronizedtothischannel.HomeRFHomeRF是专门为家庭用户设计的无线局域网技术。可以同时支持语音和数字通信。工作在2.4GHz工作频段，采用跳频扩谱方式、时分多址(TDMA)和载波监听多重访问冲突避免(CSMA/CA)等技术，每秒调频50次，最大功率100mW，有效范围50m。通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信。传输速率为1Mbps或2Mbps，提供了与TCP/IP良好的集成,支持广播、多播和48位IP地址。HomeRF技术侧重于PC及其外设所组成的无线局域网，不仅适用于家庭组网，还可以将家庭中各种电器设备通过相应的的网络接入点与公用交换电话网以及互联网相连。成本比IEEE802.11低。对普通家庭用户而言，HomeRF容易安装和配置，在家庭环境中工作良好，价格相对便宜(与802．1l相比)。HomeRF的主要优点有：速率快(SWAP2．0为10Mb／s；SWAP1．0为1～2Mb／s)；成本低廉，容易安装，无需专用接人设备。每个网络最多允许127个设备；同一物理位置允许多个网络；跳频降低了家用和便携式电子设备对干扰。IEEE802.11bIEEE于1999年9月批准了IEEE802.11b标准。IEEE802.11b的基本结构、特性和服务仍然由最初的IEEE802.11标准定义。IEEE802.11b规范只影响IEEE802.11标准的物理层，它增加了更高的数据传输速率和更健全的连接性。因此有了IEEE802.11b标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种LAN技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。IEEE802.11b可以支持两种速率一5.5Mbps和11Mbps。而要做到这一点，就需要选择DSSS作为该标准的唯一物理层技术，因为目前在不违反FCC规定的前提下，采用跳频扩频技术无法支持更高的速率。802.11b无线局域网由于其便利性和可伸缩性，特别适用于小型办公和家庭网络环境。IEEE802.11b使用的频段与蓝牙相同，是不需要申请就可使用的2.4GHZ频段。它既可作为对有线网络的补充，也可独立组网。IEEE802.11bUWBUWB（ultrawideband）超宽带又称极窄脉冲通信(UltraShortPulse)、脉冲无线电(ImpulseRadio)等。是一种短距离无线传输技术。是最适合与无线多媒体家庭网络的短距离无线通信1994年以前UWB领域的早期研究，特别是冲激无线电通信领域的研究，属于美国政府的机密计划。1994年以后，许多研究计划才取消了保密限制，加快了UWB技术的发展速度。2002年2月14日，超宽带无线技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC)的批准用于民用通信，其广阔应用前景和巨大的市场诱惑力，引起了世界各国的广泛关注。UWB与其它无线传输技术不同的是它使用较宽的频谱在短距离内播放信息，以很低的功率将覆盖很宽的频带，输带宽高达480Mbps，具有传输速度快传，功耗低，成本低的特点。适合于家庭娱乐系统的无线连接，例如家庭媒体中心、机顶盒、电脑、各种播放器等与大屏幕高清电视的连接和各种移动设备和娱乐设备之间的连接等。UWB室内通信的功率要求低，使超宽带设备的辐射功率更易于通过无线电管理条例的规定。UWB。而网络方面成熟的协议为应用建立了良好的基础。超宽带信号具有很低的辐射功率，而这样的辐射功率分布在2GHz的频率范围内，功率谱密度极低，类似白噪声频谱，具有低干扰/低截获概率特性;同时由于使用窄脉冲为信号载体并采用跳时扩频，接收端必须己知发射一端扩频码的条件下才能够接调出发射数据来，加上它对多径干扰具有很好的鲁棒特性，非常适合在军事保密通信上应用。非常低的辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。UWB在无线家庭网络中应用，具备多方面的优势：①结构简单，成本低廉。与传统的无线收发机复杂的结构相比，UWB收发机的结构要简单的多。②超宽带系统具有良好的抗多径效应性能，可在室内环境中应用。③超宽带系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法察觉。因此超宽带通信系统具有优良的保密性。四种底层协议对比IEEE802.11bHomeRF蓝牙UWB速率（bps）5.5M/11M1~2M＜1M最高达1G距离（米）25～1005010～100＜10功率100毫瓦1瓦以下1~100毫瓦1毫瓦以下多媒体通信支持语音通信，但质量较差支持高质量语音通信支持语音通信支持语音、多媒体通信应用范围企业无线局域网电脑、电话及移动设备家庭或办公室、个人区域网短距离多媒体中间层通信协议UPnPJinIOSGi概念家庭网络中间件技术是指运行在家庭网络操作系统之上,使用操作系统提供的功能,从各种信息家电不同的硬件体系结构、操作系统和网络接入中抽象出一种逻辑上的通信能力,中间层在家庭网络中的位置UPnPUPnP(UniversalPlugandPlay)是由Mi2crosoft公司提出的一种用于家庭网络的即插即用技术。通过UpnP技术,设备可以自主加入网络并向网络中其它设备表达自己所具有的能力,同时也能了解网络中其它设备的存在及拥有的能力。UPnPUPnP以IP协议为基础,分别使用TCP、UDP、SOAP(simpleobjectaccessprotocol)、SSDP(simpleseverdiscoveryprotocol)和GENA(Gen2eralEventNotificationArchitecture)协议以及XML语言。JiniJini技术方案是1999年SUN公司公布用于提供在分布式系统中进行服务的建立、查找、通讯和使用的机制。Jini运行在Java虚拟机上,因此可以充分利用Java的跨平台性。JiniJini由基础设施(infrastructure)、编程模型(programmingmodel)和服务(services)3部分组成,这三者既相互独立又互相联系。基础结构支持并利用编程模型,服务内嵌于基础结构之中,服务对象包含并利用编程模型的接口进行服务之间的通信。对硬件资源要求较高。OSGiOSGi(OpenServiceGatewayInitiative)是由Ericsson、Cisco及IBM等15家公司2000年建立的规范。它提供了从远程服务提供者到本地设备完全的端到端的解决方案和一个开放的、通用的体系结构,为服务提供者、系统开发人员、软件提供商以及设备供应商提供通过家庭网关传递各种服务的公共平台。OSGi规范实现的是一个开放的和独立的平台,有较高的独立性和保密性,支持不同类型的家庭连网协议,具有较高的可靠性。OSGiOSGi规范的3个主要方面是:多种服务、广域网络以及局域网络和设备。专注于提供一个开放的应用层和网关接口,它实现和虚拟加强了当前所有的局域网络标准和规范。关键技术IPV6电磁兼容性服务IPV6现用的IPv4能提供43亿左右的IP地址，除了部分用于测试、内部网及组播的IP地址，实际可用的IP地址只有37亿IPv6是128位的IP地址分配方案，按照数列组合，它可以分配3．402×1038个地址IPv6的优势IPv6拥有128位的巨大地址空间，每个家电都可以拥有自己的标识；IPv6可以实现自动配置，家电上网更加容易；IPv6内嵌的安全机制比较完善，可以提高家电的安全性。电磁兼容性家庭电磁环境特点1.密集型2.复杂性3.频谱广泛性4.持续性5.不稳定性服务“杀手锏”服务要使“网络家电”走入普通家庭，必需提供适合普通家庭的服务，目前家庭网络产品非常单一，还没有“杀手锏”式的服务。展望虽然网络家电的潜在市场很大，但目前世界上还没有形成统一标准，也没有哪一款网络家电成为主流产品，每一种协议都有它的局限性，每一种解决方案都有它的优缺点。可以预计，在不远的将来，信息网络家电在人类社会向地球村演变的过程中将起到越来越重要的角色。参考文献：[1]无线数字家庭组网技术研究，黄标，中国无线电，2005-11[2]OSGi家庭服务网关的设计与实现，周捷，微型电脑应用，2004-1[3]国外“网络家电”的发展趋势国外“网络家电”的发展趋势，吴罩垠，家电科技，2005-5[4]基于嵌入式系统的家庭智能网络终端设计，程璞，微计算机信息，2006-1[5]家庭网络市场发展状况，张炎滨，现代电信科技，2005-11[6]家庭网络中蓝牙技术的研究与实施，韩江洪、黄丽，合肥工业大学学报，2003-8[7]家庭网络的电磁兼容性研究，张夏、吕克，电信网技术，2006-4[8]现代居住环境中的无线宽带网络技术应用，张毅斌，计算机与信息技术，2005-8[9]基于GSM技术的智能家居系统的设计，曾志永，自动化与仪器仪表，2005-9[10]几种网络家电标准浅议，范鹏，现代电子技术，2001-9[1