家庭網關,家庭網關是什么意思

HG是家庭網絡最核心的構成部分。HG，一個高科技的設備，把家庭的網絡設備和外部網絡(主要是廣域網)連接起來。先前類似功能的設備只是提供寬帶接入的調制解調器，采用無線技術，讓用戶可以享受移動的服務。但這種傳統的設備并不能滿足下一代的業務以及人們對家庭集成環境的需求，因此HG作為一種提供集成多業務，多接口的寬帶接入設備逐漸走近人們的視野。

HG的主要的特征包括：首先，它提供一個對HG及家庭網絡設備的遠程管理接口，允許用戶進行遠程控制；其次，HG允許特定的業務或應用連接到特定的服務平臺，并提供特定級別的QoS；再則，它還具備識別并能充分利用家庭設備的功能；最后，通過所有家庭設備的功能集中起來，創造一個集成的家庭網絡環境，讓整個家庭應用更具人性化，通過簡單而統一的操作模式，提供多功能的應用。

關鍵的技術問題之HG的功能演進架構：HG架構工作的目標是定義一個可擴展的支持多業務的基本架構。GW的功能可以做到包括整個家庭網絡在內，也可以小到僅僅充當一個調制解調器的功能。此外，架構的設計同樣需要在功率開銷，價格等方面進行權衡。

關鍵的技術問題之家庭設備的高級集成及QoS策略：高級集成的目標是提供一個設備端到端的傳輸，并且有能力在家庭內部網絡和外部網絡共享數據和業務。要實現家庭網絡的集成協作，必然要求一套統一的QoS策略，家庭網絡的各個元素，包括網關，家庭終端設備，網絡節點等同時支持這么一套分級的QoS結構。從水平層面看，為了內外網協同工作，需要提供QoSWAN/LAN的映射，從垂直層面看，接入網和上層協議同樣需要QoS接口和協作。

關鍵的技術問題之接入技術：同樣備受關注的還包括接入技術，一個統一的接口和規范正在制定成標準，很多開放的可選技術需要確定。對于接入技術而言，xDSL和光纖技術是首先考慮應用的。而未來家庭網絡的無線化趨勢，使基于無線局域網的Wi-Fi或者藍牙技術也應該得到廣泛的應用。用戶可以選擇家庭無線網絡加有線接入這種傳統的模式。新近另外的一種選擇也正在成為研究的熱點，那就是和3G網絡的結合。歐洲一些運營商正在研究把家庭網絡集成到UMTS網絡中，做為3G網絡的一個延伸，每個HG類似于一個簡化的小型微蜂窩。通過專用3G接入信道(WCDMA或HSDPA)，提供任何類型的蜂窩服務，比如話音，Internet接入，下載，網絡電視等。由于干擾環境局限在比較小的范圍，采用HSDPA可以達到幾Mbps的傳輸速率。這么做的另一個好處是用戶移動通信終端不需要改成雙模終端就可以同時使用室內室外的3G無線網絡。

家庭網關應具備以下能力：

同時連接多個或不同種類的接入技術，同樣家庭網絡可以使用多種技術來構建；能夠同時處理多種類型的接入網技術和多種類型的網絡技術。

家庭網關必須能橋接接入網QoS和家庭網絡的QoS；保障訪問的內容不依賴于用以傳送內容的硬件和傳輸機制；靈活的支持最新技術，建立在靈活的平臺上，能夠很容易升級。

按照業務和應用不同，家庭網關可以分為控制網關、應用網關和數據網關三種類型。音頻和視頻流是應用網關中的重要特性，因為它們使用戶可以預訂基于Web的服務，比如：點播和VoIP通話特性。

通過家庭應用網關可以完成以下業務。家庭上網業務：IPTV業務，包括家庭網關支持視頻點播、直播業務及遠程教育；網上游戲業務：包括網關設備支持網絡游戲終端開展游戲業務；IP電話、可視電話、家庭視頻監控業務，控制網關可以實現遠程網絡上的家庭控制和安全服務管理。例如：擁有家庭控制網關的用戶可以在工作或外出期間，訪問自動化照明、供熱和安全系統。

家庭控制網關還允許網絡服務供應商提供全新的服務程序包，并創造新的收入來源。例如：通過與本地公共事業單位的聯合，服務供應商可以安全地向消費者提交能源消耗的形式，并提供日使用定價等多樣的通知方式。

家庭網關的應用前景

家庭網關的應用將會是大量的。其最大和最多的應用是在家庭內多個PC同時共享一個寬帶網絡接入。例如，家中的小孩可以接入Web來學習學校的課程，同時另外一個家庭成員可以同時進行網上購物。多個人可以同時進行網絡操作，而不需要等待其他人完成操作。

家庭網關的應用不僅僅是高速Internet的接入,未來的寬帶接入進入家庭后，將會帶來更多的服務內容，不僅是Internet的接入，還有混合視頻和音頻信息流的可視電話，以及其它交互形式的娛樂服務，如網絡游戲等。家庭網關將執行智能化的路由算法，把這些信息流（數據）分配給各種電話、智能電器、數字電視和音響等設備。例如，高級的家庭網關可以使用呼叫者ID信息來發送電話呼叫給家庭內某個電話，兒童的電話只能送到他們的房間，或晚上10點以后的電話呼叫（不包括緊急電話）只能送到遠離臥室的地方。

上述技術如何應用到家庭內存在著許多新的發展趨勢。首先是高速寬帶Internet接入進入家庭。當前大約有1％的美國家庭擁有DSL、Cable調制解調器，到1999年末有超出1百萬的美國家庭安裝。Forrester 研究機構預計到2003年將有超出2千萬美國家庭擁有通過DSL或Cable調制解調器的寬帶接入。

其次，連網家庭的數目到2002年也將快速增長。Jupiter 通訊公司預計屆時將有1千5百萬的家庭網絡。家庭網絡的發展趨勢將因家庭內存在多個PC，以及其他電氣設備的使用而得以加速。在1999年，有60％新的PC購買是來自已有一個PC的家庭。目前已有大約15％的美國家庭擁有多個PC。

無論對于何種家庭網關的定義,一個面向現在和未來應用的家庭網絡,家庭綜合布線應是成為這些網絡應用的基礎,沒有合理的布線系統,如何能讓家庭網關給我們提供個性化的網絡服務呢?在此,綜合布線的作用已不言而語.

構建下一代家庭網關所面臨的技術挑戰及其解決方法

隨著三重播放時代的到來，網絡運營商如今越來越需要能為用戶提供具有QoS保證的端對端業務的技術。當采用新業務模式時，服務提供商需要更好地服務用戶并留住用戶群體，WLAN家庭網關在此過程當中具有重要地位。

網絡運營商需要新的家庭網關技術以便讓用戶能連接家里盡可能多的設備。網絡運營商可利用這些設備捆綁多種業務，并控制從基礎設施到終端設備等家庭網絡中所有設備上的業務。基于802.11標準的WLAN設備正迅速成為家庭網絡終端用戶認可的事實標準。基于802.11的WLAN家庭網關超過基于其它有線或無線標準(如以太網、HPNA、HomePlug、UWB和藍牙)的設備而成為最受歡迎的家庭網絡設備，其原因有多種。但最主要的原因，是它們使用無需授權的頻帶以及標準802.11技術，另外它們還能解決網絡覆蓋范圍、端對端業務管理以及QoS等重要問題。

DSL網關面臨的挑戰

基于DSL的業務可望繼續超過有線調制解調器或WiMAX業務而成為全球最受歡迎的寬帶業務,大多數DSL用戶將選擇WLAN家庭網關來連接家中的用戶端設備(CPE)。為在這個正迅速轉向單機解決方案的成長市場中取得領先地位，基于DSL的WLAN網關制造商必須戰勝多個挑戰。

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圖1：家庭網關的結構框圖

這些挑戰包括：(1)速率/范圍——WLAN網關的覆蓋范圍必須遍及家里每個角落，而且無論設備距離網關有多遠，網關都必須提供高的數據吞吐率；(2)干擾/串擾——隨著無線設備的數量不斷增加，網絡擁塞等相關問題的出現機會越來越大；(3)支持未來新興業務——設備必須能支持VoIP和視頻等新興業務；(4)安全性/網絡管理——設備必須安全、易于使用，并可讓服務提供商幫助用戶排除用戶端故障；(5)發射功率——網關應采用符合世界各地發射功率標準的通用解決方案；(6)成本效益。

盡管面臨許多挑戰，但設備設計工程師和制造商正在開發相關硬件和軟件技術來解決這些問題。然而，他們采用的技術必須保證不將WLAN網關的成本增加到底線以上，或者不能給制造過程增加太多的復雜性。下面將討論的設計工程師使用的幾種硬件和軟件技術，能使WLAN網關滿足服務提供商和最終用戶的需求。

峰值性能

一個需要特別關注的與硬件有關的問題是RF性能，它會影響網關的數據傳輸速率和覆蓋范圍。如果RF性能過低，家庭網絡覆蓋將會出現盲區。幸運的是，目前已有多種技術可用來解決這個與硬件有關的RF性能問題。合理地應用這些技術能讓WLAN家庭網關的覆蓋范圍到達家中每個角落，這種網絡覆蓋針對擁擠網絡環境里的多臺設備進行了優化。

改善RF性能的方法之一是增加輸出功率并提高無線電的接收靈敏度。但要注意，每個國家對無需授權的無線電的發射功率都有限制，例如美國就規定此類設備的最大輸出功率不可超過30dBm。最理想的解決方案應該能同時增加WLAN信號的輸出功率和WLAN設備的接收靈敏度，這兩個因素都能大幅度改善家庭網關的覆蓋范圍。但設計工程師必須特別注意，以確保這些解決方案不會增加設備的成本或復雜性。有了系統設計層面的長遠考慮及創新，設計工程師就可通過增加發射功率和提高接收機的靈敏度來擴大802.11 WLAN網絡的覆蓋范圍。

采用波束指向或智能天線設計等其它技術也能解決傳輸速率、覆蓋范圍問題并消除覆蓋盲區，但這兩種技術都需要有軟件和硬件支持。另外，在網關設計中采用這些技術，高昂的設計和驗證成本也可能是一個挑戰。為家庭網絡環境提供更高數據傳輸速率的發展中的802.11n標準，通過使用智能天線技術可解決這些問題。

除了功率和天線設計問題外，噪聲也會降低RF性能。因為家庭網關具有以太網和DSL PHY等高速接口，或者在電路板上具有WLAN子系統和DSL子系統之間的串行或并行接口，所以在家庭網關里更容易產生噪聲耦合。為解決這個問題，必須將RF的噪聲源與電路板的其余部分進行隔離，并對噪聲源進行屏蔽。魯棒的RF架構和智能的布線設計對避免噪聲耦合問題也是很有必要的。

干擾是WLAN家庭網關設計工程師面對的另一個與硬件有關的問題。這個問題通常會影響WLAN技術：近距離工作的802.11無線設備越多，它們相互干擾的機會就越大，甚至沒有連接到WLAN網關的無線設備都可能產生干擾，比如車庫門開門機、微波爐和藍牙設備。 此外，隨著2.4GHz頻帶日益擁擠，干擾對802.11g性能的影響越來越大。由于802.11g正交頻分多址(OFDM)接收機比802.11b接收機更容易受到干擾，因此這個問題將變得更加嚴重。

其它潛在的干擾源還包括來自其它接入點和無線工作站的鄰信道干擾(ACI)，以及由無線ISP、無繩電話和2.4GHz頻帶附近的高功率無線電發射機產生的信號。對信道間隔為5MHz的2.4GHz頻帶來說，802.11的ACI問題尤為棘手。

因為干擾問題只會變得越來越嚴重，所以WLAN家庭網關設計必須足夠魯棒，以應付現有和未來的干擾源。要達到這個目的，在家庭網關所采用的芯片中，其算法或智能設計必須確保家庭網關能抵御來自多個干擾源的多類型干擾。例如，可采用窄帶里的有效算法來提供能量檢測和包檢測機制，以緩解2.4GHz頻帶的干擾問題。

可制造性和成本

在提高家庭網關的性能和可靠性的同時，設計工程師還必須確保他們所設計的終端產品具有很好的可制造性以及最低的成本。網關設計應能在最短時間內實現最高的制造良率，產品質量也必須保持穩定一致。

提高家庭網關可制造性的一個方法，是通過把更多功能集成到單機解決方案中來優化設計。如今的網關設計采用單主板架構或者雙板子卡架構，選擇的架構不同，成本和可制造性就會不一樣。最后，網關必須具有強大的自我校準功能，并能在芯片里內置制造軟件支持。 另一個硬件方面挑戰是要盡量降低BOM成本，進一步在芯片里集成更多功能以及減小存儲器的封裝都有助于降低BOM成本。

易于使用

家庭網關使用的軟件應該有助于提高產品的即插即用性能。產品使用越方便，則用戶的滿意度越高，購買和經常使用新業務的機會也就越大。對家庭網關來說，安全功能設置簡單并具有幫助用戶排除用戶端故障的能力都非常關鍵。

為使事情簡單化，服務提供商不僅希望能用家庭網關來管理提供給用戶的無線家庭網絡業務，還希望對業務進行端到端的可視化監控。因此，那些具有能讓服務提供商找出用戶端設備問題的診斷和故障排除工具的設備非常受歡迎。盡管目前軟件所要解決的問題就是這些，但它們很快就會被要求支持新興業務，比如漫游、視頻業務，以及把進入到家庭網絡范圍的手機切換到移動VoIP模式。

由于易于使用是如此重要的一個因素，所以設計工程師應該在網關里集成一套靈活的模塊化軟件，該軟件具有豐富的API，可使設備制造商很容易地用它來設計家庭網關，以滿足獨特的家庭網絡需求。因此，家庭網關不僅需要支持實時和嵌入式操作系統，還要集成與運用多種技術，并使最終用戶能構建并使用客戶應用程序。

圖2：家庭網關的架構演進

另一個軟件方面的挑戰，是在電路板上的每個數據接口提供多級別QoS支持的同時，還要維持系統的性能。網關的DSL、以太網和WLAN接口都有各自的限制和QoS要求，要將這些接口集成到單個處理器中是有挑戰的。設計工程師必須集成并優化每種級別的QoS，并使之運行在單個CPU里的單個操作系統上。

確保采用低成本主CPU的WLAN系統具有多模式性能是軟件方面的另一個挑戰。大多數系統在使用時都需要包串聯(packet concatenation)和包聚集(packet aggregation)等很高的WLAN性能特性，以實現高的TCP/IP或UDP數據吞吐量。高速ADSL2+和多端口以太網支持則給低成本設備帶來極大的WLAN性能壓力。

除了降低成本之外，產品上市時間也正成為一個越來越重要的考慮因素。制造商必須在最短時間內完成新產品的設計、開發和上市。對家庭網關來說，如果有支持軟件架構的公共平臺，實現快速上市要更容易些，共同軟件架構使家庭網關平臺具有便攜性和重復使用性，這將有助于大幅度縮短驅動程序的開發時間。

支持未來新興業務的媒體設備

僅能提供數據業務的家庭網關將很快過時，服務提供商將改用具有完備媒體功能的網關。WLAN家庭網關仍會有高端和低端產品之分，但它們都需要不斷改進以滿足新興的三重、四重播放業務模式需求，同時它們還必須支持很高的數據傳輸速率。此外，WLAN家庭網關還將需要兼容VDSL2和802.11n等新興技術，并支持視頻流傳輸以及視頻信號的高速傳輸。 此外，隨著家用WLAN設備數量的大幅增長，空中將充斥更多的無線信號，因此家庭網關必須足夠魯棒以便能在這樣嘈雜的無線環境中工作，同時還保持穩定的性能。

毫無疑問，家庭網關在網絡中的地位日益重要，它將成為服務提供商與用戶之間最重要的接口。因此，這種設備必須能支持所有類型的新業務、能在任何無線網絡中工作并可提供端到端QoS。預計不久將來，儲存功能也將成為家庭網關的另一個重要需求。

盡管WLAN家庭網關給設計工程師帶來許多挑戰，但它們為服務提供商改善用戶服務和增加創收提供了重要機遇，因此克服這些挑戰將給服務提供商及其用戶帶來豐厚回報。