住宅网关(RG)是为消费电子设备提供高速因特网接入的关键设备，DSL、无线、电缆或卫星等通过这一平台与家庭网络如HomePNA、HomeRF、无线局域网或IEEE1394连接或桥接起来，从而使家庭中的网络家电之间可互相通信并实现与因特网的连接，本文介绍现有PC、数字调制解调器和机顶盒以及其它产品向住宅网关的演化过程及可编程逻辑方案在住宅网关领域的潜在应用。

 

 

Amit Dhir

战略应用高级工程师

Xilinx公司

amit.dhir@xilinx.com

 

 

新的数据广播服务的演化需要可桥接因特网和家庭网络以保证数字内容在两者间传输的设备，RG平台可以让家庭内位于不同节点的家电都实现高速因特网访问，并通过同一个高速管道实现集成的语音、数据和视频服务。住宅网关结合了数字调制解调器、SOHO路由器或集线器的功能，从而实现了多个信息家电对因特网的访问。

 

 

根据需要的功能不同，有不同类型的住宅网关。像机顶盒和数字调制解调器这样的设备也可以为家庭和SOHO(小型办公室-家庭办公室)提供宽带接入。它们可以集成家庭网络功能并演化成网关。但除这些设备外，还出现了一系列专用的住宅网关，如家庭服务器和SOHO路由器等。

 

 

 

 

 

住宅网关的构成

 

 

网关提供的统一平台满足了大多数消费者的需求，为他们提供信息、娱乐和通信服务。网关是家庭和因特网的集中接入点。由于涉及的都是新技术，并且还在演变之中，住宅网关自身的功能也必须不断进化。最基本的形式中，将结合数字调制解调器、家庭网络芯片组以及相应的软件。数字调制解调器芯片组提供到不同宽带网络的连接，家庭网络芯片组则提供家电间的互连技术。此外，所有的网关都会有相应的计算资源，以支持设备运营所需要的软件。运行于住宅网关中的软件使家庭内的信息家电和服务可以实现平滑的互操作，弥补和消除了系统不同单元间的复杂性、传输技术以及技术上的不同。

 

 

目前，住宅网关包括PC机、宽带调制解调器、机顶盒和其它类型。

 

 

基于PC机的住宅网关(家庭服务器)

 

 

由于目前家庭中计算机的日益普及，因此，基于PC的住宅网关是实现住宅网关最容易的途径。而且，PC机具有处理能力，以及数字调制解调器，是实现家庭网络服务的理想平台。然而，PC机也有一些不利因素。传统操作系统不够稳定，作为提供关键功能(如安全功能)的网关，PC机经常死机和需要重新启动是不能接受的。一些公司甚至在独立的住宅网关产品中探索基于PC结构的实现方案。

 

 

调制解调器为中心的住宅网关

 

 

因特网连接的传统方法目前在技术上仍有相当优势。采用电话线的模拟调制解调器不能提供超过56Kbps以上的带宽，但数字调制解调器，如电缆、DSL和卫星，却可以提供高速的因特网接入。卫星调制解调器可提供400Kbps到38Mbps的带宽、DSL 调制解调器可提供1.5Mbps到52Mbps的带宽，有线电视电缆调制解调器可提供达30Mbps的多媒体传输速度。通常住宅网关都同增值服务一起出售。服务供应商可以从未来一至二年内的服务收费中贴补网关的成本。网关很容易安装，服务供应商也将初始投资降到最低。

 

 

 

 

 

有线电视电缆调制解调器

 

 

传统上，有线电视公司为其客户提供电视服务。这些公司正迅速转向提供高速因特网接入、免费电子邮件、电子商务站点托管和基于IP的语音应用等服务。为抓住这一新机会，运营商正在升级他们的网络以支持这些新应用。电缆调制解调器是一种客户端设备，可以通过普通有线电视网络电缆提供高速、双向通信(数据、语音和视频)，从而客户可以通过它访问一系列的应用。电缆调制解调器提供的连接是始终在线的，因此消除了建立拨号连接时漫长的过程。

 

 

一个标准电缆调制解调器有两个连接端：一个端口连接至墙上的电视插孔，另一个则连接至家庭网络。电缆调制解调器通过电缆网络与一个称为CMTS的设备通信(电缆调制解调器终接系统)，CMTS配备有线电视网络与数据网络(因特网)相连。

 

 

电缆调制解调器的速度依赖于业务水平和整体网络结构。理论上，电缆调制解调器可以30Mbps的速率接收和处理多媒体内容。然而，由于相邻的多个用户共享这一带宽，实际上用户的信息下载速度约为1.5Mbps。运营商划出一部分频谱用来进行数据传输。下行通信(头端至家庭网络)的带宽在50MHz至750MHz。5到42MHz的频率范围用来将信息从家庭网络传输至头端。电缆调制解调器接收和传送包括多媒体内容和因特网内容在内的TCP/IP业务。

 

 

电缆调制解调器的调谐器从网络接收到数字信号，并隔离出包含因特网数据的特殊通道。然而将信号从射频转换至基带信号。调谐器的基带输出信号被送到解调器。解调器对信号进行采样并将其转换成数字位流。位流包含了视频、音频和IP数据。位流恢复后进入前向纠错(FEC)单元进行错误检查。然后信号进入控制单元，并利用一个高速数据端口进入家庭网络。

 

 

在基于电缆调制解调器的网关中(图1)，可编程逻辑解决方案提供了系统接口(PCI、UART、DMA)、加密，几种家庭网络技术(Ethernet、 USB 2.0、 HomePNA)的接口、ASSP功能(如电缆MAC)以及联接逻辑。

 

 

 

 

卫星调制解调器

 

 

与有线电视运营商类似，卫星服务供应商也为其用户提供宽带接入。将家庭网络连接至卫星宽带平台的用户实际上是在利用一个广播速率达38Mbps的共享媒介。从服务供应商到家庭的传输速度非常高，但上载速度却限制在拨号电话调制解调器的传输速率。这一高速连接是通过碟形天线和卫星调制解调器实现的。

 

 

在卫星调制解调器中，接口接收到来自卫星网络的数字信号并将包含因特网数据的通道隔离出来。将模拟信号转换为数字格式并进行检错。主机接口提供了卫星调制解调器和家庭网络间的连接接口，采用USB和PCI有源接口。系统连接逻辑将CPU和存储器器件与主机和卫星接口连接起来。基于卫星调制解调器的网关(图2)包括卫星调制解调器 ASSP和家庭网络ASSP。它们提供了高速(语音、数据和视频)接入(采用卫星宽带网络)，并将这些信息家电连成网络。可编程逻辑提供了与采用电话线或以太网等技术的网络家电的互连。

 

 

数字用户线路(DSL)调制解调器

 

 

基于DSL技术的宽带调制解调器通过标准电话线可支持比传统模拟调制解调器快50倍的数据传输速度。一个非对称数字用户线(ADSL)线路包括由一节双绞铜电话线连接起来的两个ADSL调制解调器。为保持与标准电话系统的后向兼容性，并避免由于设备故障而影响电话服务，语音频谱部分通过数字调制解调器电路中称为“POTS滤波器”的无源滤波器件分离出来。因此，如果ADSL服务失败，POTS服务仍然不受影响。在这种配置方式下，语音呼叫和因特网数据同时通过宽带DSL通道进行传送。中心局的ADSL传输接收端，采用更先进的POTS分离器将语音业务送到公共电话网络，将数据送到因特网。

 

 

DSL网关提供了DSL功能和信息家电联网的功能。可编程逻辑解决方案非常适合连接多种不同的家庭网络标准(如HomePNA、以太网和USB2.0)以及系统接口，如PCI。

 

 

数字机顶盒(STB)

 

 

过去，人们看电视所需要的唯一设备就是可从商店中购买的标准电视机。在上世纪80年代，这一简单的模式开始改变。有线电视和卫星供应商需要消费者将他们的电视连接到其网络中。同时，运营商决定对其电视信号进行扰频加密，因此需要在消费者家中安装特殊的电路盒将信号解密。今天的数字电视广播则需要机顶盒接收数字传输信号并进行解码，才能变成适合在模拟电视机上显示的信号。机顶盒是复杂的电子设备，包括一系列硬件部件和软件，它们由本地有线电视、或卫星服务供应商安装和配置。机顶盒将数字信号转换为可以在电视屏幕上显示的格式。

 

 

数字机顶盒可分为低成本入门级、中级和高级三类。入门级的机顶盒可以提供传统的宽带电视、按收看情况付费服务以及基本的浏览工具。它们不具有回传信道，因此不能与位于头端的计算机服务器进行交互工作。入门级的机顶盒成本低，通常具有有限的少量存储器、接口端口和处理能力。

 

 

 

 

中等级别的机顶盒则包括了一个回传信道，提供了与位于头端的服务器进行交互通信的能力。这类机顶盒可以提供电子商务、因特网浏览以及多媒体服务。回传信道还使针对本地使用人员进行客户化广播成为可能。中等级别的机顶盒比入门级产品具有较高的处理能力和存储器。

 

 

高级机顶盒就象多媒体桌面计算机，包括比前两级机顶盒产品强大得多的处理能力。增加的性能结合高速的回传信道，可以用来访问和实现一系列高级服务，如远程视频会议、家庭网络、IP电话、视频点播以及高速因特网电视服务。此外，还具有接收高分辨率电视信号的能力，并可将视频节目存储于硬盘上，具有同时记录和观看视频节目的能力。此类接收设备有更多的高速接口端口，因此与住宅网关有类似之处。对有线电视及卫星运营公司来说，支持高级技术的机顶盒意味着一个通过提供新服务增加营收的机会。

 

 

通常机顶盒内的有线电视或卫星调制解调芯片将宽带和电视信号接收下来。其它ASSP/ASIC芯片则处理数字视频和音频服务。这些ASSP通过系统主板上的总线彼此通信。CPU负责协调不同器件的工作。要提供附加的功能，机顶盒就需要更高性能的CPU才能满足数据吞吐的要求。机顶盒软件有三类：操作系统、中间件和应用程序。操作系统负责机顶盒部件的运作，中间件则是软件程序的一层，工作于交互式电视应用和操作系统之间。观众通过应用软件观看电视，以及使用交互式功能。

 

 

 

 

 

机顶盒市场正处于迅速变化过程中，未来几年内将会有极大的变化。机顶盒会演化为多媒体服务器，成为提供因特网接入等功能的家庭网络枢纽，即住宅网关。可编程逻辑器件可满足ASSP间的基本连接需求。而上市时间和可快速升级的能力对一个成功的产品是必须的。采用可编程逻辑器件可以保证第一个将产品推出市场，同时还可在产品配置到家庭中后，远程增加机顶盒的功能。

 

 

其它可能的网关

 

 

机顶盒、PC机和基于调制解调器的网关是立即可以想象得到的技术，而游戏机、数字视频录像机(DVR或数字VCR)以及电力计费设备也是一些可能进化成网关的潜在的平台。高速度的游戏机具有足够的处理能力，并具有做为未来数字化家庭网关的接口。目前，DVR提供了带宽数字网络接口，DVR制造商还可以增加对几种家庭网络技术连接的支持接口。DVR可能会进化成网关，也有可能其功能被吸收到机顶盒中。以电力系统为中心的网关也是住宅网关的一种有意思的可能选择，事实上电力公司在客户家庭中安装新的网关设备来提供新服务的概念早在1990年时就有了。从电力公司的角度来看，服务网关大大降低了运营成本，因为它将日常收费工作减到了最少(通过自动表进行读数)，并可进行能源管理。硬件和安装成本可通过提供新的服务得到补偿。但对基于电力系统网关的兴趣和推动力量来自服务供应商而不是消费者。

 

 

本文总结

 

 

住宅网关(RG)的主要功能是通过有线电视电缆、xDSL、卫星和无线连接为家庭提供宽带连接。其次，住宅网关提供家庭网络功能，可采用电话线或无线局域网这样的技术将带宽分配到各种信息家电。同时住宅网关也提供了推广增值服务的独特平台。本文考虑了现有PC、数字调制解调器和机顶盒，以及其它产品向住宅网关的演化和可能性。可编程逻辑方案对住宅网关的成功是必要的，因为它们提供了连接不同技术的接口和系统接口，从而带来产品面市时间和在市存活时间方面的优势。

 

 

作者简介：

 

 

Amit Dhir是Xilinx公司战略应用高级工程师。主要负责新兴市场技术和市场研究及分析。发表了数篇论述无线、嵌入、网络和消费应用方面FPGA地位的文章和白皮书。他拥有Purdue大学BSEE学位和圣荷塞州立大学的MSEE学位。联系电话：1-408-879-5257；电子邮件 ：amit.dhir@xilinx.com。

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