构建广电系统的家庭网关及挑战

李明先，严 春

（四川九州电子科技股份公司，四川 绵阳 621000）

何为家庭网关，简单地说，家庭网关就是连接运营商网络和用户家庭网络的枢纽。从物理形态来讲，家庭网关下行必须提供多接口，连接不同的业务终端。而由于运营商接入网络接口的多样化，家庭网关需要能够支持不同的上行接口，以跟进宽带网络的演进。

随着三网融合的不断推进和深入，基于电信网络的家庭网关已经相对成熟，并且在实际网络中得到大面积的使用。但是针对广电网络，基于广电现有的同轴网，如何更好地利用广电同轴网的资源，构建广电系统的家庭网关，目前还没有一个相对标准的、得到大范围使用的家庭网关方案。

本文将结合广电实际，探讨构建广电系统家庭网关的组成及面对的挑战。

1 如何构建广电系统的家庭网关

广电网络运营商需要新的家庭网关技术以便让用户能连接家里尽可能多的设备[1]。运营商可利用这些设备捆绑多种业务，并控制从基础设施到终端设备等家庭网络中所有设备上的业务。目前，电信运营商已经有成熟的家庭网关技术和家庭网关产品。广电可在此基础上，结合广电系统自身的特性，衍生出新的家庭网关产品，产品包括光纤或同轴的接入，音视频解码，LAN，WiFi或PLC的家庭组网等功能，可以方便地与家庭的电视机、计算机等设备互联，具体如图1所示。这里从接入方式、音视频解码、家庭组网等几方面分别阐述。

1.1 接入方式

在广电系统，很多地方都进行了双向改造，主要都是采用EPON+EoC的方式[2]，因此，家庭网关的接入方式主要有光纤接入和同轴电缆接入两个选择。

光纤接入主要面对FTTH的方式，家庭网关通过光纤直接与前端的OLT设备连接，能提供双向100 Mbit/s的宽带通信，实现语音、数据、视频等业务的接入。光纤接入方式，将大大简化网络结构，便于系统维护，但是也将大大增强前端设备的投入成本。

同轴网是广电系统与电信系统最大的区别。随着EoC技术的不断发展，目前CLT已经能支持300 Mbit/s的宽带接入，基于C-DOCSIS标准的CMC设备能提供800 Mbit/s下行，200 Mbit/s上行的数据通信带宽。相信在不远的将来，通过同轴电缆，实现1 Mbit/s或更高的接入带宽将成为现实。通过同轴电缆的接入，能很好地利用广电资源，但是将增加网络的复杂度，在管理、维护上给系统带来不小的挑战。

虽然采用光纤或同轴电缆的接入各有优缺点，对广电资源的利用也不尽相同，但不管是采用光纤还是同轴电缆的接入方式，都能为用户提供相关业务开展所需的足够带宽。

1.2 音视频解码

音视频解码，即机顶盒的相应功能，实现电视节目及VOD点播的信号解码，为用户提供高清/标清的视频及音频信号。

对光纤的接入方式，由于没有电缆的接入，在音视频解码部分，只能选择IPTV的解码方式，通过互联网协议来提供包括电视节目在内的多种数字媒体服务。如前述，同轴电缆的接入也可提供较高带宽的数据通道，因此IPTV的解码方式适用于光纤和同轴的接入方式。由于IPTV利用互联网协议，因此IPTV有很灵活的交互特性，因为具有IP网的对称交互先天优势，其节目在网内，可采用广播、组播、单播多种发布方式，可以非常灵活地实现电子选单、节目预约、实时快进、实时快退、终端账号及计费管理、节目编排等多种功能。另外基于Internet网的其他内容业务也可以展开，如网络游戏、电子邮件、电子理财等。

对目前的广电系统来说，机顶盒多为DVB-C的制式。采用DVB-C的音视频解码方式，对广电来说是更加成熟的技术，且可以更好地利用现有设备及系统资源，解放数据带宽，大大降低系统成本，能为用户提供更多的高清节目，且成熟的CA系统也为DVB-C的音视频解码方式提供了完善的管理功能。

两者比较来说，IPTV能为用户提供更多的交互功能和个性化的服务，但是占用数据带宽；而DVB-C数字电视能为用户提供更高质量的音视频节目，由于采用广播的方式，在个性化服务上有诸多不足。

1.3 VoIP

VoIP就是将模拟声音信号（Voice）数字化，以数据封包的形式在IP数据网络上做实时传递[3]。

目前成熟的VoIP方案多使用软件DSP，通过硬件加速实现。通过VoIP技术，用户可通过数据通道实现语音通信，而无须通过电话线来实现。

EPON系统的HGU和SFU设备均能实现VoIP技术。目前EoC设备由于传输时延的劣势，对VoIP的支持均有限。不过基于DOCSIS技术的设备已能很好地实现VoIP的功能。

1.4 家庭组网方式

目前，比较通用的家庭组网方式为LAN和WiFi，由于本文的针对性，加入了基于同轴的家庭组网和基于电力线的家庭组网，下面分别做说明。

LAN的方式即通过五类线连接家庭的设备实现通信，在不同的家庭网关中均为标配，相对成熟，数据线性转发，抗干扰能力强，稳定性好。缺点是布线复杂，且连接设备都需要相对固定，没有移动性。

WiFi的方式，也是常说的无线方式。按传输标准分可以有IEEE 802.11a/b/g/n几个标准。IEEE 802.11g在2.4 GHz频段工作，所支持的速度最高达54 Mbit/s；IEEE 802.11n工作在2.4 GHz或5.0 GHz，最高速度600 Mbit/s，但IEEE 802.11g/n在世界上最为常用。使用WiFi的家庭组网方式，将为用户提供更加灵活的服务，且在成本和功耗上也具有一定的优势。目前的智能手机、Pad及笔记本式计算机都具有连接WiFi无线网络的功能，缺点是信号强度受房间布局的影响较大。

基于同轴电缆的组网在国外应用较多，比如MoCA以及其他EoC技术，最初都是基于家庭组网的应用的，能为用户提供足够的带宽，且在时延、QoS等指标上均有不错的表现，缺点是需要重新布线，且移动性较差。

最后一种是PLC家庭组网方式，即电力线通信，通过家庭的电力线实现数据的传输。此技术在国外也得到较多的应用，能提供较好的吞吐量、时延和QoS指标，不受房间布局的影响，且通过家庭的电力交接箱实现不同用户间的隔离。且无须重新布线，与LAN和同轴的方式相比，具有更多的优势。

1.5 其他

在接入方式、音视频解码和家庭组网方式之外，家庭网关可以提供更多的功能。比如如何更好地利用多功能CPU的资源，实现节目的本地存储，通过USB接口实现节目的本地播放等。甚至也可以利用平台的可扩展性，通过软件实现对家庭家电设备的控制，从而兼容物联网的功能。

2 构建广电系统的家庭网关面临的挑战

针对广电家庭网关的接入方式、音视频解码、家庭组网等几方面，提出了多种方案，但是广电要如何选择呢？面临的挑战是什么？

2.1 设备状态的固定

相比于电信设备状态的相对统一，广电产品在各地使用的状态却呈现出多样化。对电信来说，不管是E8-B，还是E8-C，设备状态在各地都比较统一，差异很小，至少各个省电信的设备状态是完全一致的。但是在广电，以目前的广电系统大量采购的机顶盒设备来说，各地采用的方案都不尽相同，即使采用同一个方案，各地设备也呈现出不同的个性化需求。

广电显然也意识到这个问题，目前各省对EPON，EoC的招标中，设备形态的统一和互联互通的测试逐渐受到重视，并且广电总局也针对EPON和EoC设备颁布了统一的MIB库要求。

针对家庭网关的产品形态，广电目前还没有统一的意见，更多还需要在实际的使用中逐渐形成。

结合广电的优势，笔者认为广电的家庭网关可采用EPON或EoC的接入方式，融合基于DVB-C的音视频解码功能，增加VoIP功能，采用PLC或LAN的方式进行家庭组网，能很好地利用广电的同轴资源，为用户提供更多的高清视频节目，同时也降低对数据带宽的需求。

另外，高集成度、接口简化的家庭网关设备能大大降低家庭布线的复杂度，提高设备的可用性。

2.2 设备的稳定性

广电系统的家庭网关，相对电信来说，产品的复杂度更高，集成度也更高。因此，设备的稳定性和可靠性是一个不能忽略的问题。

随着更多家庭网关的使用，空中将充斥更多的WiFi无线信号。因此，必须通过设计，不断增强WiFi的抗干扰能力，提高WiFi模块的工作稳定性。

同样在设备内部，由于功能众多，如何保障各部分独立工作，不受影响，特别是射频部分的相互影响，对设计来说也是一个很大的挑战。只有优化设计，提高不同信号间的隔离度，降低不同信号的串扰，减少相互间的影响，才能保证不同信号间的稳定性和独立性。

2.3 可管理性

电信的E8-B和E8-C家庭网关都是通过TR-069协议对设备进行业务配置和管理的，主要完成4方面的工作：用户设备自动配置和动态的业务配置；对用户设备的软件、固件的管理；对用户设备的状态和性能进行监测以及对通信故障的诊断。

但是对广电系统来说，目前的设备管理更多的还是通过设备厂商提供的NMS软件进行设备管理、业务管理、性能检测及故障诊断。但是各个厂家的NMS软件参差不齐，这势必造成广电系统的家庭网关设备管理的混乱，管理平台无法统一，也大大降低了管理平台的管理效率，增加了管理的复杂度。

因此，广电系统有必要统一管理平台，并制定一套完整的管理方案。或者借鉴成熟的TR-069协议，实现对家庭网关的配置和管理。目前广电的整合为统一提供了可能。

2.4 可制造性和成本

在提高家庭网关的性能、可靠性和可管理性的同时，产品设计师还必须确保他们所设计的终端产品具有很好的可制造性以及较低的成本。相对于电信的家庭网关，由于技术的成熟度和广泛的应用不足，广电系统的家庭网关在可制造性和成本上还有一段路要走。

提高家庭网关可制造性的一个方法，是通过把更多功能集成到单机，甚至是单芯片的解决方案中来优化设计。可以大大简化设计，提高设备的可靠性，虽然在一定程度上会增加软件的设计难度，但这可以通过逐渐优化并升级实现。如今的家庭网关设计采用单主板架构或者双板子卡架构，甚至是各功能模块采用一个子板的架构，选择的架构不同，成本和可制造性就会不一样。最后，家庭网关的相关软件能自动升级功能，以应对业务的变化和Bug的修复。

另一个硬件方面的挑战，是除了选择集成功能多的芯片，外围选用通用的器件，以尽量降低BOM成本。

2.5 易于使用

家庭网关使用的软件应该有助于提高产品的即插即用性能，尽可能地降低产品的使用难度，家庭网关的设置和配置要做到简单化甚至自动化。对家庭网关来说，安全和相关业务功能设置简单，并具有帮助用户排除用户端故障及自动升级的能力都非常关键。

广电运营商不仅希望能用家庭网关来管理提供给用户的相关语音、视频、数据等业务，还希望对业务进行端到端的可视化监控。因此，具有自动发现用户端设备问题的诊断和故障排除的设备将更受运营商的青睐。尽管目前家庭网管软件所要解决的问题有限，但很快设备软件就会被要求支持新兴业务，比如远程家庭监控、远程家电控制、物联网的支持等。因此，在目前的家庭网关设备中需要预设相应的硬件接口，为将来软件的实现提供平台。

由于易于使用是如此重要的一个因素，所以设计工程师应该在网关里集成一套灵活的、可升级的模块化软件，该软件具有丰富的API，以应对不同的家庭网关的需求。因此，家庭网关不仅需要支持实时和嵌入式操作系统，还要集成与运用多种技术，并使最终用户能构建并使用客户应用程序。

另一个软件方面的挑战，是在电路板上的每个数据接口提供多级别QoS支持的同时，还要维持系统的性能。网关的PON、EoC、以太网、WLAN和PLC接口都有各自的限制和QoS要求，要将这些QoS在一个CPU芯片上进行处理是有挑战的，设计工程师必须集成并优化每种级别的QoS，并使之运行在单个CPU里的单个操作系统上，多个CPU芯片间的相互协调和同步也是一个不小的挑战。

2.6 对未来业务的支持

目前的家庭网关，已经不仅仅是只提供数据业务功能。文章讨论的广电系统的家庭网关，将为用户提供数据接入、语音、视频等业务，但这肯定不是家庭网关的最后形态。广电运营商将希望使用具有更加完备功能的网关，比如增加智能家居、物联网等相关功能，或者如何更好地让家庭网关与手机、Pad等手持式设备实现更好的交互等。在满足更多业务功能需求的同时，家庭网关还必须支持更高的数据传输速率，为用户提供更高的QoS保障。

毫无疑问，家庭网关在网络中的地位日益重要，它将成为服务提供商与用户之间最重要的接口。因此，这种设备必须能支持所有类型的新业务，能在任何无线网络中工作并可提供端到端QoS。预计在不久的将来，储存功能也将成为家庭网关的另一个重要需求。

尽管广电系统的家庭网关面临许多挑战，但它们为服务提供商改善用户服务和增加创收提供了重要机遇，因此克服这些挑战将给服务提供商及其用户带来丰厚回报。

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[1]赵志峰，张卫.面向NGB的数字家庭服务平台[J].电视技术，2012，36（16）：25-28.

[2]徐力恒，李建华.融合EPON与DOCSIS的EoC技术与双向网改方案[J].电视技术，2011，35（12）：4-6.

[3]毛泽杰，程建，肖忠.基于机顶盒的VoIP设计与实现[J].电声技术，2011，35（12）：50-53.