家庭无线网络（HWN）网关设计

发布时间： 2003-12-3 15:57:08

　　摘 要 文章针对家庭无线网络（Ｈｏｍｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）的核心设备—网关，提出以Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ技术构建家庭内部网络，即个人局域网ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）。以２．５Ｇ移动通信网络ＧＰＲＳ技术组成外部信息传输网络，从而设计了可移动、个性化、方便使用、技术先进的无线家庭网关。
　　关键词 无线网关 家庭网络 蓝牙 ＧＰＲＳ

　　家庭网络是在家庭范围内可扩展至邻居及居住小区将ＰＣ、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术。家庭网关是家庭内部信息与家庭外部信息交换的重要设备。高质量的生活必然尊重个性化的风格，家庭网关必然要摆脱线路的束缚，以无线网络的方式，体现出具有可移动性、方便、装饰性的功能。
　&n

bsp; 因此，笔者设计了完全意义上的无线家庭网关。以Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＧＰＲＳ两项重要的无线通信技术构成了内、外全部为无线的网络拓扑，既能实现高速的信息传输又能在位置上随意放置，适应个性化的家庭布局的需要。图１所示为无线家庭网关的功能图。
　　根据图１所示网络拓扑图可知家庭内部网络为由Ｅｒｉｃｅｓｓｏｎ蓝牙模块组成的内网。射频（ＲＦ）为２．４ＧＨｚ，外部网络为由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产的ＣＭＳ９１双频段９００／１８００ ＧＳＭ／ＧＰＲＳ １０级模块组成。
　　１ 蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）家庭内网
　　家庭是一个个性化特色鲜明的场所，要构建家庭中的个人局域网（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）实现家庭中个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络，其技术实现手段为有线与无线两种。目前以新兴的短距离无线网络技术占据家庭网络的主流，其中包括Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＩｒＤＡ、Ｈｏｍｅ ＲＦ与ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ－Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ）四种。
　　蓝牙Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ是一个开放性的、具有支持点到点、点到多点的话音、数据业务的通信，可以在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的组网。目前蓝牙核心技术可以方便地嵌入到单一的ＣＭＯＳ芯片中，可大大使成本降低，因此特别适用于小型家庭网络的组建。
　　１．１ 蓝牙技术与网络拓扑
　　图２所示为蓝牙网络的拓扑结构。蓝牙设备在任意一个有效通讯范围内都是平等的，基于ＴＤＭＡ原理和蓝牙设备的平等性，可以构建无线Ａｄ ｈｏｃ网络结构。任一蓝牙设备在主从网络（Ｐｉｃｏｎｅｔ）和分散网络（Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ）中，既可作主设备（Ｍａｓｔｅｒ），又可作从设备Ｓｌａｖｅｒ，还可同时既是主设备（Ｍａｓｔｅｒ）又是从设备Ｓｌａｖｅｒ。在一个Ｐｉｃｏｎｅｔ内寻址８个设备（实际上互联的数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活８个，其中１个为主，７个为从）。
　　蓝牙工作在２．４ＧＨｚ 的ＩＳＭ频带上以１６００跳／秒跳频，即以２．４５ＧＨｚ为中心频率，可得到７９个１ＭＨｚ带宽的信道。在发射机频率为１ＭＨｚ时，有效的蓝牙数据速率是７２１ｋｂ／ｓ。由于发射是“时分复用（ＴＤＭＡ）”，其主要优点是造价低、又具有良好的安全性与纠错性能。几乎无需任何变动，便可将蓝牙扩展成适于家庭使用的小型网络。
　　１．２ 蓝牙内网中的主、从单元
　　随着蓝牙技术在各个领域的应用，使多家全球领先的电信设备制造商和ＰＣ制造商组成了Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ＳＩＧ特别兴趣小组，这样也加速了蓝牙技术的市场化应用。这种短距离、低成本扩频技术，能将各种便携设备，如手提电脑、信息家电、移动电话以及数字消费产品方便连接起来，构成蓝牙内部网络。
　　图１中的Ｍａｓｔｅｒ、Ｓｌａｖｅ为蓝牙网络中的主、从设备。蓝牙设备一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四部分组成。可以构成如图２所示的网络拓扑。在该结构中主设备负责提供微网中的时钟同步信号和调频序列，为每一个从设备分配地址码，只有主、从设备间才能进行通信。
　　蓝牙技术规范包括协议（Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）和应用规范（Ｐｒｏｆｉｌｅ）两个部分。协议定义了各功能元素（如串口仿真协议、逻辑链路控制和适配协议等）各自的工作方式，而应用规范则阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转协同机制。蓝牙的通信协议采用分层结构，层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备，从而构成Ｐｉｃｏｎｅｔ或Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ，实现系统提供的各种功能，若使用其中任一蓝牙设备，都可根据ＩＥＥＥ８０２标准得到一个唯一的４８ｂｉｔ的ＢＤ＿ＡＤＤＲ。它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在ＢＤ＿ＡＤＤＲ基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码（ＩＤ）在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。
　　２ ＧＰＲＳ构建信息出口外部网
　　２．１ ＧＰＲＳ技术
　　ＧＰＲＳ是通用无线分组业务（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅ）的简称，它是２．５Ｇ无线移动通信技术，是在目前现有的ＧＳＭ网络上增加了ＧＧＳＮ（Ｇａｔｅｗａｙ ＧＰＲＳ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｎｏｄｅ，网关ＧＰＲＳ支持节点）和ＳＧＳＮ（Ｓｅｒｖｉｎｇ ＧＳＮ，服务ＧＰＲＳ支持节点）组合成的另外一种网络，这种网络保留了ＧＳＭ网络的所有特点。而新增加的ＧＳＮ节点是ＧＰＲＳ网络中最重要的网络节点，这个节点具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到ＧＰＲＳ寄存器。
　　相对原来的ＧＳＭ的拨号方式的电路交换数据传送方式，ＧＰＲＳ的分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。其数据传输速率最高理论值能达到１７１．２ｋｂｐｓ，而且用户可随时与网络保持着联系，但网络费用按用户实际接收或发送数据包的数量来收取，同时网络的数据传输与话音传输业务可同时进行并可进行自如切换。ＧＰＲＳ技术所具有的优势，使许多应用领域的采用无线传输技术进行提升信息化水平。因此，在家庭网络中，利用ＧＰＲＳ移动网络传输用户的数据信息，既方便又经济，可见以其作为家庭无线网络信息出口外部网络，是具有非常广阔的前景。
　　２．２ ＧＰＲＳ数据业务功能的开发
　　ＧＰＲＳ作为移动数据业务的载体，能为用户提供多种形式的应用。在ＧＰＲＳ网络中允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。具有数据透明传输与虚拟数据专用网（ＶＰＮ）两个重要特点。
　　图３所示为ＧＰＲＳ数据业务发送与接受协议转换过程，需要发送的数据经过ＵＤＰ、ＩＰ、ＰＰＰ协议的转换，建立无线链路发送出去。反之，接收到的数据包经过解ＰＰＰ、ＩＰ、ＵＤＰ过程，还原为用户数据，这就是ＧＰＲＳ网络的数据业务过程。
　　２．３ ＧＰＲＳ网络配置
　　图４所示为ＧＰＲＳ网络的配置与信息传输过程，终端设备通过串行方式接到ＧＰＲＳ Ｍｏｄｅｍ上，ＧＰＲＳ Ｍｏｄｅｍ与ＧＳＭ基站通信，图中ＢＴＳ为基站收发信系统，ＢＳＣ为基站控制器。与电路交换或数据呼叫不同的是ＧＰＲＳ数据分组是从基站发送到ＳＧＳＮ节点，而不是通过移动交换中心ＭＳＣ连接到语音网络上。ＳＧＳＮ与网关支持节点ＧＧＳＮ进行通信，ＧＧＳＮ对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或Ｘ．２５网络，来自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、标识有移动台地址的ＩＰ包，由ＧＧＳＮ接收，再转发到ＳＧＳＮ，继而传送到移动台上。
　　３ 嵌入式控管主系统
　　家庭网关采用嵌入式处理器Ａｔｍｅｌ ＡＴ９１Ｒ４０８０７与操作系统μＣＯＳⅡ满足了产品的智能化需要。其中ＡＴ９１Ｒ４０８０７是ＡＲＭ７ＴＤＭＩ高性能３２位ＲＩＳＣ处理器，具有强大的Ｔｈｕｍｂ扩展指令，接口丰富、网络功能完整。使用了Ｅｍｂｅｓｔ ＩＤＥ开发系统，ＪＴＡＧ仿真器，使用Ｃ语言可以方便地书写程序源代码，而且嵌入式操作系统μＣＯＳⅡ可以方便的移植到应用系统上。
　　如图１所示这种家庭网关能将家庭自动化系统上的各种设备组成家庭局域网，并通过ＧＰＲＳ外网连接到互联网上或其他数据网络，使用户可以通过互联网或移动终端远程访问家庭中网络设备。
　　这种使用方便、突破了空间位置限制的家庭网关具有如下功能：
　　（１）使家庭内部的电子设备组成Ｐｉｃｏｎｅｔ，与互联网或个人移动数据终端无缝连接进行通信；
　　（２）可以通过ＩＥ等浏览器进行远程访问家庭网络上的全部设备；
　　（３）低成本，替代ＰＣ或者工控机网关；
　　（４）运行嵌入式μＣＯＳⅡ源码开放的软件平台；
　　４ 结束语
　　文中提出无线家庭网关的设计方案，彻底突破了线缆的限制，发挥了无线的优势，提出家庭网关新的设计思路。能使不同厂家、设备能组成网络的蓝牙技术组成家庭内网，以２．５Ｇ移动通信技术ＧＰＲＳ组成外部网络，核心系统配置功能强大的ＡＲＭ Ｃｏｒｅ处理器，整个系统具有高性能的信息处理与网络功能，是家庭网络系统的核心。＆
　　参考文献
　　１ 常东来．江亿．论智能家庭网络的门户——家庭网关． 《电气＆智能建筑》 ２００３
　　２ ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｃｎｂｅｗ．ｃｏｍ／ＨＵＩＸＵＮ／２００３．０５．１１／ｊｔｗｇ．ｈｔｍ
　　３ ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｅｂｎｃｈｉｎａ．ｃｏｍ／ＡＲＴ＿８８０００４９２８０＿６１７６６１．ＨＴＭ．１２８９ｂｅ９ａ
　　４ 王旭辉．基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的智能社区系统的构建．《微计算机信息》 ２００２