数字家庭网络相关技术热点

作者：数字♂盟… 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2005-12-6

家用数字设备市场正在爆炸式的增长。消费者呼吁生产一些功能融合的产品，用以从任何一台电子设备直接获得娱乐、安全、自动化和计算数据。不过，消费者要到这些新设备安装起来极为简便，并能天衣无缝地协同工作时才会感到满意。目前消费者对复杂的设备安装、繁琐的设备互连和不兼容的硬件望而却步，这说明需要制定各种家用电子设备互操作性的行业标准。我们不再根据咖啡桌上的遥控器数量，而是根据操作是否简便直观来衡量一个家用电子系统的先进程度。

　　作为家用电子设备的设计师，你面临着巨大的挑战。你必须设计出不仅能与既有硬件和竞争厂商的设备协同工作，而且还具有足以与上百种未来产品互操作的高度灵活的设备。尽管你对某种家用电子设备的构想非常好，但是它的实际性能只是“图画的一部分”。例如，如果你的设备是显示或者播放数字数据的，那它必须与产生或存储数字内容的设备兼容。一台数字电视机接收的输入信号可来自天线、电缆线路、个人录像机、DVD播放机、个人电脑或便携电脑，还可能来自宽带互联网线路。由于家庭中通常拥有一台以上的电视机，这使得连接的通道和连接的可能性都成倍增加。一个家庭网络可以简化所有这些连接，而且随着家用设备数量的增长而变得必不可少。

　　尽管数字家庭的要素是在不断变化，但是有几类设备是许多家庭系统所共有的。例如，大多数系统都始于既有娱乐设备，如家庭影院、电视机和立体声音响。虽然这些既有设备可能都是模拟的，但是在向全数字家庭过渡期间，设计师仍必须将它们包含在互操作性规划中。同时，许多下一代全数字设备也属于娱乐设备，从而导致模拟硬件和数字硬件混合使用。尽管讨论中常常忽略了电子自动化设备和安全设备，但是你仍然应该将它们纳入远期数字家庭规划中。现在，这些设备中有不少是独立的专用系统，但是随着开放式互连标准被广泛接受，这种情况将会改变。一个真正集成的数字家庭将允许使用者在家中的任何地方，或在连接因特网的任何遥远地方使用和控制这些系统。

　　数字革命

　　桌面电脑、膝上型电脑、PDA
和有些多功能蜂窝电话机都是计算类设备的一部分，它们是整个数字家庭运动的催化剂。消费者首先将从音乐开始，然后将是数码相片，再到现在在某种程度上将是电影，消费者已经发现将它们编档保存在个人电脑设备中的种种好处。电脑可以方便地搜索、分类和复制保存的内容。但是，人们希望使用娱乐设备来播放存储在个人电脑中的音乐、相片和电影，这就使许多将计算机与电视机或立体声音响设备连接起来的特殊消费类产品应运而生。例如，现在许多供应商都提供专供数字家庭使用的、装有
Microsoft 公司Media Center操作系统的电脑。Media Center软件是 Windows XP
Professional的扩展，它除了有一个能提供增强多媒体编辑、存储和播放功能的特殊用户界面外，还包含个人录像机功能。
由于对硬件有专门的要求，Microsoft 公司只通过诸如 HP 公司和 ViewSonic 公司等授权的供应商销售该软件。Gateway
公司的 610XL Media Center能在一个17英寸显示器上兼有娱乐和计算两种功能（图 1），售价为 2000 美元。610XL有一个
3GHz 英特尔奔腾 4 处理器、512M 字节 DDR SDRAM、一个 200GB 驱动器、CD-RW 驱动器、 DVD-RW
驱动器，以及无线联网功能。Microsoft 公司也提供免费下载的软件开发工具包，帮助开发者为Media
Center操作系统创建应用程序和软件成分。

　　当设备数量很大或分布家庭各处时，LAN
是实现灵活的互操作性的一个关键要素。网络可使家用设备自动交换控制信息和内容。有学龄儿童的家庭通常拥有多台个人电脑，所以有线网络甚至无线网络在家庭中也很常见。但是，与网络连接的问题在于现在使用的不兼容媒体格式和传输协议的数量。由于家庭不可能配备适合每一种网络标准的硬件和软件，所以他们通常选择一个合理的协议子集，或者采用可现场升级的方式，例如一个扩展卡插槽。

　　最基本的计算网络标准，即以太网，要求使用第5类接线将家庭中每个预定的节点连接起来。由于改装所需的电缆线路存在种种问题，家庭电子设备爱好者都不愿使用有线以太网。但是，在所有各类网络中，采用以太网和直接连线方式，每个节点的成本最低，因而它为许多新住宅建造者所选用。大约20%的新家庭都有实现电脑联网、娱乐或相关用途的某种结构化布线。IBM公司的子公司——
Home Director 公司向住宅建造者销售家庭布线产品，用以将音频和视频系统、安全系统、个人电脑和因特网互联起来(图 2)。

　　电源线联网的支持者认为这种“无新导线”的方法具有种种好处，并一直致力于不断提高数据的传输速率。电源线联网，从上世纪 70
年代中期推出的第一个速率慢得让人难受的 X-10 产品到速率达到100Mbps 的下一代 Homeplug AV
标准产品，似乎是一个理想的家庭互连方案：只需插上电源线，你的设备也就与网络连接了。但是，电源线联网存在一些固有的问题，其中包括操作受限制、节点成本高、相位耦合以及与邻居共享带宽。Domosys
公司的 PowerBus 协议和 Echelon 公司的 LonWorks 协议由于植根于家庭和建筑物自动化，也可通过家庭电源线实现低速设备的互连。

　　不受束缚的联网

　　随着 PDA
和笔记本电脑等电池供电的便携式设备的日益大众化，无线互连成为许多家庭网络设计师的最高境界。尽管无线网络的传输距离各不相同，视标准而定，但它们允许设备在家庭内部和家庭周围具有完全的移动性。当前最受欢迎的无线标准，即WiFi（无线相容性认证）或
802.11b，采用廉价硅芯片，应用广泛，而且传输距离与家庭环境相适应。但是，半双工协议 802.11b
的2.4-GHz工作频段与微波炉和许多无绳电话机的相同，因此受到干扰的可能性很大。大多数情况下，干扰不会中断传输但会降低数据传输速率。最大传输距离为
100m的802.11b采用以太网协议和避免冲突的载波侦听多址技术来使多个使用者共享同一频段。

　　由于
WiFi的最大原始数据传输速率为11Mbps，对于一个视频数据流来说勉强够用，但不能满足多个视频数据流或高清晰电视的需求，所以家庭网络设计师大概都会选用一个更高带宽的无线视频网络。如果不采取局部安全措施，未经授权的使用者就可以轻而易举地进入
802.11b 网络。有些专家曾建议采用蓝牙作为家庭网络的短距离传输替代方案。但是蓝牙只有 10 米的传输距离和 1Mbps
的带宽，因而只能归入控制电缆的替代方案。

　　为了满足对更高数据传输速率的要求，IEEE 发布了更适合于无线家庭网络的 802.11a 标准和 802.11g 标准。802.11a 标准采用
OFDM（正交频分多路复用）作为调制方案，并具有高达 54Mbps 的数据传输速率。它采用 5-GHz
载波频率，可防止对家用消费类电子设备的干扰。802.11g 是一种工作频段为 2.4GHz、数据传输速率为54-Mbps
的无线联网标准，其传输距离有所下降，但是具有比 802.11b 更好的互操作性。制造商现在供应符合802.11 a、b、g
三种标准的现成接口设备与芯片组，价格接近初始的 WiFi 基线。

　　即将出现的新联网技术可在家庭中提供更高的无线数据传输速率。IEEE 正致力于 802.15.3a 标准的开发，这是一种新的
UWB（超宽频带）标准，能在短距离内提供超过 500Mbps 的数据传输速率。虽然数据传输率会随距离的增加而降低，但是 UWB 能在 10
米的距离上确保 110Mbps 数据速率——这比 802.11 标准的数据速率提高了很多。UWB
技术使用高上升时间脉冲将射频能量延伸到几吉赫的频段内，其功耗之低，对其他设备来说相当于无害噪声。UWB 很容易与 802.11等其他无线技术共存(图
3)。当前对UWB新标准有两种建议。Xtreme-Spectrum 公司和 Motorola 公司提出一种单频段直接序列
CDMA（码分多路复用）技术， 而 Intel 公司和 Texas Instruments 公司则提出OFDM 联盟多频段方法，这种方法使用从
2～11GHz 频段内的几十个信道。

　　家庭Web

　　数字家庭体系结构中最后一个重要要素是接入因特网。接入因特网对各种先进系统来说都是必不可少的。接入因特网可对家庭进行远程交互、监视和控制，同时还可获得外界的信息。虽然你可以通过一个拨号调制解调器获得基本的因特网服务，但是大多数使用者则通过
DSL、有线电视、卫星或广域无线技术选用更高带宽的数据传输。例如，Wi-Max（即
802.16a）是一种新的非视距（non-line-of-sight）城域联网标准，可以从一个基站以大约 70Mbps 的数据速率向 30
公里范围内的成千用户传输数据。802.16a 工作在 2~11GHz
频段，可以作为宽带入户最后一公里线路的有效替代方案。作为因特网线路的一部分，一台网关设备将提供保护性防火墙、家庭网络管理以及向家庭提供数字服务的最佳位置。有几家供应商提供各种参考体系结构，以加快高级网关系统的开发和部署。例如，ADI
Engineering 公司提供采用 Intel IXP425 网络处理器的 Coyote 网关参考设计。Coyote
网关接入广域网的方式有ADSL 或以太网单模式或双模式
802.11a/b、两条电话线路、一个四端口以太网交换机、VoIP、USB、RS-232、IDE，以及并行接口等（图 4）。

　　无论在家庭中采用哪些技术，衡量一个系统是否成功，就看这些设备协同工作的好坏。虽然有几个组织试图开发出全行业的互操作性标准，但是大多数遭到主要硬件和软件供应商的冷遇。最新成立的工作组在
Microsoft公司、Intel公司、HP公司、IBM公司、Sony
公司和其他设备制造商的支持下，看起来起步不错。DHWG（数字家庭工作组）构想了一个可互操作的有线与无线网络，它由家庭中的个人电脑、消费电子产品和移动设备组成，可用来共享数字媒体和内容服务。DHWG
的目标是：在 2004 年中期以前开发出一套可利用互联网协议、UpnP（通用即插即用协议）、WiFi
等已有标准和其他通用格式来简化数字内容共享的设计原则。

　　基本的互操作问题包括媒体格式、传输协议、设备管理和联网技术。DHWG
计划把各种设备所需的最常用格式包括进去，并允许使用可选用的格式，以便提高相互兼容硬件之间的性能。图 5对 DHWG
标准作了初步概要。例如，在数字成像领域，DHWG 标准将要求设备与JPEG 和 PNG（便携式网络图像）兼容。PNG
是一个无需专利费的文件格式，用于光栅图像的无损压缩存储，支持索引彩色、灰度、和真彩色图像。设计师可以有选择地采用与 GIF 和 TIFF
的兼容性。DHWG 要求音频内容使用 LPCM（线性脉冲编码调制），而LPCM是一种类似于 CD
音频的非压缩音频格式，但具有更高的采样频率和更高的量化。LPCM 可提供多达 8 个通道，每个通道的采样频率为 48kHz 或 96kHz
，每个采样使用 16位、20 位或
24位量化。供应商可以有选择地采用AAC（高级音频编码）、MP3、AC-3（杜比数字编码系统）、ATR-AC3plus（自适应变换音频编码）或
WMA9（Microsoft 有源流式传输文件）等音频格式。
在流行压缩技术的极其重要的视频领域里，DHWG 要求使用 MPEG-2（第二运动图像专家小组）格式并允许使用 MPEG-1、MPEG-4 和
WMV9(Microsoft 有源流式传输文件)格式。

　　内容保护

　　数字家庭的另一个大的挑战是数字版权管理。内容提供商希望开发者采用一些手段保护数据，但硬件和软件供应商迄今尚无这样做的兴趣。尽管最初的特许忽视内容保护的重要性，但你可以断定，内容提供商正在游说
DHWG 把数字版权管理纳入议事日程。Microsoft 公司提供的 Windows Media Rights Manager 9
系列软件开发包允许开发者创建应用程序，用以配置和加密数字媒体文件并发行许可证。 由此产生的 Windows Media
文件包含一个用密钥加密的文件版本，所以只有获得该文件许可证的人才能播放。

　　简化的家用设备互操作性还要求采用某种设备发现和设备控制机制，以便自动完成设备连接。DHWG 所需的 UPnP
可定义一套供各种设备用来加入一个同级网络，并描述其功能的公共服务，以使得其他设备无需复杂设置或配置就可以使用这些功能。UPnP
不需要设备驱动程序，而使用共同的协议。你可以使用任何编程语言和任何操作系统来实现 UPnP 设备。在2000年，Intel 公司创建了为 UPnP
设备开发的第一版 Linux 软件开发包，随后将它提供给开放源社区。你可以从 http://upnp.sourceforge.net
网站下载该软件。

　　连接家庭娱乐设备的复杂、繁多的遥控器以及录像机上不断闪烁的未设置的数字时钟都证明有必要制定全行业消费类设备互操作性标准。由于供应商推出了把计算功能与娱乐设备组合在一起的融合产品，这些问题将变得更加严重。对业界来说，支持一套共同的标准，以简化数字音乐、照片与视频在消费电子设备、移动设备和
PC 之间的分配，现在正是时候。