数字家庭网关的基本功能及系统结构

【中心议题】

• 介绍了数字家庭网关的基本功能
• 数字家庭网关系统的硬件与软件结构

【解决方案】

• 采用嵌入式微处理器作为硬件平台
• 采用三层软件结构

0引言

近两年来，数字家庭理念深入人心，数字家庭技术方兴未艾，家庭网关是其中的关键之一，在数字家庭网络中起至关重要的作用，是使家庭内部网络中各种智能设备之间实现联网，以及家庭内部与外部网络发生联系的桥梁。通过数字家庭网关，用户可从公网上对家庭网络进行访问和控制，实现对家庭内部网络中的各种通信、娱乐、家用电器、电气照明、安防装置及水电气热表等进行远程监视、控制与管理。

1数字家庭网关的基本功能

数字家庭是诸多设备和技术的整合，包括通信产品整合、家庭娱乐产品联网整合、智能家电的联网整合等，而这一切融合的最终形态将是数字家庭网络的中心设备——家庭网关，作为家庭网络中心设备的家庭网关应具备三个方面的功能，即接入功能、业务功能和管理功能。

1.1接入功能

家庭网关的接入功能主要是用来实现数字家庭网络与公共网络的连接。目前接入公共网络的方式有很多种，如:ADSL、以太网、有线电视电缆、电力线等都有可能作为接入方式;同时家庭网关还应具有集成了多种内部组网技术，通过电力线、双绞线、同轴线及Zigbee、Bluetooth、UWB等各种有线或无线方式连接家庭网络中的设备，以及通过UWB、IEEE1394、UPNP等为家庭内部提供不同内型、不同结构子网的桥接能力，实现家庭内部的各种局域网和设备的互连互通。

1.2业务功能

业务功能模块需要完成部分公共网络推进到家庭中的业务功能。家庭网络中可能存在通信、娱乐和控制等几种类型的业务。其中，家庭通信是家庭内最基本的业务，包括各类电话业务，如：固定电话、VOIP、移动电话、小灵通等语言电话。家庭娱乐和控制主要是需要家庭网关做桥接，控制点或者是转发的作用，实现无缝连接和互通，实现协议转换和媒体格式转换功能。

1.3管理功能

管理功能包括地址功能、安全功能、服务质量（QOS）功能、远程管理功能、本地管理功能等。其中地址功能主要实现家庭网关自身IP地址获得以及支持家庭内部终端获得IP地址;QOS功能主要实现多业务流的分级处理及转发;安全功能主要防止外部网络对家庭网络的非法访问，以及内部网络的非法接入;远程管理主要实现运营商对家庭网关的远程管理与控制;本地管理主要实现家庭网关的本地登录管理与

控制。

2数字家庭网关的系统结构

2.1家庭网关的硬件结构

家庭网关是整个家庭网络的核心，它主要实现Internet接入和家庭内部异构子网的连接，以及远程控制与管理等功能。由于基于PC机方案的家庭网关不仅成本较高，而且要求计算机一直处于开机并可进行通信的状态，还不能在计算机上运行干扰通信任务的软件和硬件。所以目前普通用户家庭网关产品主要采用嵌入式微处理器作为硬件平台，由嵌入式微处理器为核心组成的硬件系统结构框图如图一所示。

由于8位和16位的微处理器速度慢，且资源有限，实现TCP/IP协议较困难，因此目前家庭网关主要采用32位嵌入式微处理器作为硬件平台。

存储器模块包括FLASH和SDRAM芯片，FLASH芯片用于存储家庭网关中的嵌入式操作系统、CGI网关应用程序、家庭网络服务器以及支持各种服务所需要的文件系统。又由于嵌入式操作系统的存在需要动态RAM，而微处理器提供的动态RAM远远不能满足要求，因而需要在外部总线上扩展SDRAM。

Ethernet模块实现家庭网关与外部网络的物理连接，用户可通过Internet对家庭内部网络进行远程访问和控制。家庭网关与Internet的连接可采用有线的方式，也可采用基于GPRS等无线方式实现。

电话语音控制模块是基于公共电话交换网（PSTN），利用双音多频编解码技术实现电话远程控制家电等。

本地控制模块是指采用键盘、LCD显示器、PDA等方式，在家庭内对家庭内部网络进行控制。

无线家庭网络接口和有线家庭网络接口都属于家庭内部网络的组网方式。其中，有线方式有双绞线、电话线、电力线等最为典型。无线方式以IrDA、Bluetooth、IEEE802.11、Zigbee、UWB等为代表。而无线连接是实现家庭网络最理想的技术，它可以省去在家庭内部重新布线的麻烦，但作为一个完整的家庭网络将是无线接口与有线接口的有机组合。

2.2家庭网关的软件结构

数字家庭网关的软件结构有三层:

硬件驱动层：位于软件结构的最底层，通过嵌入式操作系统进行软件硬件的管理。如:驱动通信模块、串口、以太网等。

OS层:一般是一个小型操作系统，主要完成进程控制、文件系统管理、中断和中断处理、网络协议栈、各种系统调用等。

应用程序层:位于软件结构的最上层，通过嵌入式操作系统的调用实现任何需要的应用服务。如:串口通讯、基于以太网的家庭信息远程查询和远程控制等。

3结束语

随着技术的发展，人们生活水平的不断提高，人们在居住环境的舒适性、安全性、便捷性等方面提出了更高的要求，越来越多的家庭将要求建立数字家庭网络。据OVUM预计，2008年全球家庭网络化的家庭量将达到1.21亿户，家庭网络设备将形成171亿美元的市场规模。2008年后亚洲家庭网络将快速发展，有望成为市场的地区领导者。另据Gartner的研究与预测2010年全球家庭网络市场可达到1062亿美元。

因此，家庭网关市场的前景必将十分广阔。