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网络技术正以前所未有的速度渗入普通家庭,电话会议、电视、CD、DVD、MP3音乐节目,来自监视摄像头的信号,控制设备的命令,以及来自Internet的多媒体数据流等,正在普通家庭中变成现实。通过家庭网络,还可以实现电力设施远程控制供给个人家庭的电量并自动读表。目前网络技术进入家庭的步伐还较慢,而且大部分集中在多层居住单元和一些小型商业用户。但是毫无疑问,当设备价格下降到可承受的程度时,网络技术进入家庭的步伐将加快。目前,这些网络主要应用于如下两个领域:(1)通讯和娱乐,与其它PC机相连或接入Internet,需要较高速度的网络;(2)控制家用设备,如控制加热、通风和空调、照明、给排水、安全等系统,网络速度稍慢。
当前家庭网络通常由两台或更多台计算机组成,这些网络的物理基础通常是语音级电话线或稍贵一些的五类双绞线和电力线,还有在2.4GHz这一开放的工业、科学和医学频段的无线网络。家庭网络产品包括无线交换机、网卡、网关、小型服务器、传感器和控制器,以及通用的操作系统。因此家庭网络也具有三种不同联网技术,即家庭交流电力线联网技术、电话线联网技术和无线联网技术。虽然每种技术都有其自身的优缺点,然而在可预测的未来,人们可能会看到这三种技术的融合,因为没有单独一种技术能取得完全满意的结果。
电话线联网技术
由于住宅内都有布好的电话线,所以电话线是家庭网络有效的解决方案。电话线联网技术的一大优点是成本低。每连接一台PC机花费50美元左右。但是这些装置必须易于使用,具有抵挡外界入侵的安全性,并且规模可变,可支持每秒一到数兆的高数据率。目前电话线网络速度也已相对提高(约1Mbps),但仍需要一个方便的电话线插座。随着家庭网络联网范围的扩大,这种电话线插座就成为较大的障碍。根据市场分析家估计,每个消费者为此承担的费用不能高于100美元。另外还有一个问题亟待解决:尽管住宅电话线能很好地传输语音信号,但由于它们的阻抗特性不容易控制,所以无法满足传输高速数据的需求。Tut System公司可能是第一个解决这个问题的。它使用频分复用技术以建立用于不同用途的三个频段:提供普通语音电话服务(直流至3400Hz);连接Internet的ADSL(25kHz~1.1MHz);娱乐节目和计算机数据网络(5.5MHz~9.5MHz)。Tut在它所划分出的5.5MHz~9.5MHz之间的网络频段中以7.5MHz作为载频,每秒可传输1Mb数据。在这个通频带内Tut使用了IEEE802.3具有冲突探测的自适应载波多重连接(CSMA/CK)规范,该规范常用于以太网中。为了高速传送数据包,该公司还使用了一项脉冲位置调制技术专利,将多片断编码成发送脉冲或信号成分,从而提高流量。这里又出现了一个新问题,就是进入多层住宅单元的一对线上的信号可能会对相邻的其他线路产生电磁干扰。
家用电话线网络联盟(HomePNA)由11家公司于1998年6月成立,包括著名的3Com、AMD、AT&T无线系统、Compaq、HP、Intel、IBM和Lucent,它们的目的是起草一套工业标准。目前,HomePNA已有100多名成员,其中四分之一来自于美国之外。HomePNA已制定了一项HomePNA1.0标准。该标准提供了唯一的多厂商家庭联网解决方案,使用户能购买不同的设备厂商的联网适配器。Diamond公司以及LinkSys公司已交付了以HomePNA1.0标准为基础的联网设备,包括Diamond公司的HomeFree电话线联网设备、LinkSys公司的HomeLink电话线联网设备。3Com公司也底推出自己的HomePNA标准兼容联网设备。HomePNA联盟已建立了一个市场机构和一个测试中心来规范Home PNA标准联网设备的使用,还制定了速度达10Mbps以上联网设备的HomePNA2.0标准。目前一些公司已开始联合设计制造HomePNA2.0标准的联网设备。此外,包括Intel、IBM、朗讯科技和惠普在内的数十家公司也都宣布了电话线技术联网设备开发计划。Tut Systems公司已与芯片厂商Broadcom 开始联合开发一种10Mbps速度的联网技术。Broadcom声称,这种技术的速度足以快到能满足视频信号的传输,其带宽能达到60Mbps。此外,芯片设计公司Epigram也一直忙于与Cisco、3Com、德州仪器公司等设备制造商合作,以支持其iLine 10Mbps电话线联网技术。无论HomePNA 2.0标准最终达到什么水平,Tut Systems、Broadcom以及Epigram等都声称,它们将确保其联网设备符合该标准。
为了实现基于电话线的家庭网络规范的国际标准化,国际电信联盟的研究组收集各成员国的提议并以“修正案”形式表决。该研究组此前曾开发了ADSL标准,目前正在制订极高速数字用户线路(VDSLs)的标准,这将增强使用电话线的家庭网络和XDSL家族标准的配合。更重要的是,这种做法将有助于解决电话网交换机与VDSL相互干扰的关键问题。
电力线联网技术
电话线联网技术始终需要单独的电话插座,并不是家庭的每个角落都有电话插座,而大多数家庭的每个房间内都有比电话线插座多得多的电源插座。由此,使用电力线进行家庭中不同区域的通信更加切实可行。从1978年起,Radio Shack连锁店就出售名为X10的系统,该系统由一个控制盒和一些模块组成。每个模块都可以插入电源插座。这些模块有两个16阶编码轮,每个模块可以有不同的编号,而家用电器就连接到这些模块的底端。控制盒可以插入房子的任何一个电源插座内,用来控制接入远端模块的电器,可以从控制器小键盘输入模块的编号和指令,也可以用计算机编制控制信号,这样就可以远程控制装置的开关顺序。一些型号的X10电器模块不仅能接收指令,还能向中央控制器回送表明自身状态的信号。这一点很有用,可以远程检查家中或热水器的温度,或打开监视摄像头。
超过X10技术中采用的数据率时,会遇到许多技术难题,这其中包括噪声、干扰、衰减和阻抗变化等,目前一些公司声称已解决了这些问题,并且工业财团中已形成了这些通信过程的协议。CEBus(EIA600)就是一个规定了使用电力线、五类双绞线、同轴电缆、无线、红外的技术和参数的开放标准。CEBus也定义了一种通用语言(CAL),允许装置使用通常的语法和单词进行相互间的通讯和执行特定任务。每个装置在CAL中被定义为“设备”,例如立体声播放机和录像机就是设备。CAL中的设备进一步被分为对象,这些对象代表功能,如音量、高音或低音。指令信号可以辨别设备和激活功能控制,如升高立体声播放机的音量。装置上的接收器负责解释指令并执行。
在短时期内,电源线联网技术有一些优点。例如,利用一条线路能对每台设备同时提供通信和电源,用户不需要增加新设备。此外,电源线系统也为从电灯开关到录像机等一插入就成为家庭网络一部分的其他用户设备提供了方便的控制方式。目前,电源线联网设备由于存在静电感应和误差率等问题,提供的带宽比电话线(350 kbps)或无线网络(1Mbps以上)窄得多,但安装和使用更为方便,可在电源插座附近随处安装,而且价格相对便宜,每处联网设备收费40~80美元。目前电源线联网技术设备的带宽已逐步提高。Intelogis公司计划推出创新的数兆位(2Mbps以上)电源线联网技术,并将在几个月内与数字合作伙伴厂商签署许可证转让协议。Intel公司也将向微软公司转让其开发的10Mbps增强型正交频分多路传输(IeOFDM)电源线联网技术使用许可证。微软公司也宣布了与3Com公司的合作协议,将联合推出用于家用局域网的电源线、电话线和无线联网设备。使用电力线的家庭网络将比使用电话线或无线的便宜得多,但是目前这些电力线通讯产品还不能通用。
无线联网技术
无线联网是三种技术中最昂贵的技术,但它又具有无可比拟的优异性能和灵活性。用户可在限定的室内范围内(目前为46米)随意移动联网设备——甚至可在室外移动,无需考虑接线和插座。目前,面向居民住宅和家庭办公用的无线联网设备速度已达2Mbps,只是这些设备的成本一般至少是电话线联网设备的3倍,(每连接1台计算机花费150美元左右)。无线传送数据和语音是一个快速发展的技术。在许多情况下,无线技术能提供家庭或小型办公室中方便、廉价的网络解决方案。因为大多数具有两台或更多个人电脑的家庭住宅是在最近的电信爆炸式增长前建造的,因此并没有在每间屋子内布置电话线,在屋内各处安装双绞线也很困难,于是无线网络被看成是很有效的替代方案。因此,无线网络引起业界和国际组织的广泛关注,各自制定了标准,目前无线联网技术标准主要有以下几种:
美国IEEE从1992年开始着手制订802.11标准,以推动无线局域网的发展。1997年,该标准获得通过,IEEE802.11就与美国联邦通讯委员会对于开放的ISM频带的使用要求一致。该标准规定的最大数据传输率为2Mb/s。但是IEEE802.11的更高速度版本允许数据传输率达11Mb/s。由于该协议最初是为了蜂窝电话发展起来的,所以家庭网络使用802.11协议的一个障碍是它高昂的常用开支。最终,但不是最近,IEEE 802.11规范将允许使用离散多频和正交频分复用实现6Mb/s至54Mb/s的传输速率。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要,因此,IEEE小组于1999年11月又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。
欧洲电信标准化协会(ETSI)支持两个无线协议——用于高速的HiperLAN和用于稍低速的数字化欧洲便携电信协议(DECT)。HiperLAN,也就是将来的BRAN(宽频无线连接网络),是一套工作于5GHz的规范,数据传输率可达24Mb/s,这对于高清晰度电视是足够的。
另一个重要的规范是由HomeRF Working Group制订的,由于它价格较低,已得到许多通讯公司的支持。该组织制订了一套称为共享无线连接协议(Swap)的规范,现在的版本是1.1,该规范在2.4GHz频带使用了频率期望扩频技术以获得1Mb/s的数据传输率。遵从Swap的产品正由Proxim公司使用Symphony商标生产,目前还有发展更高速Swap的趋势。该工作组请求FCC增加频率期望的带宽至3MHz到5MHz,以便发展11Mb/s频率期望的产品。与Swap一样价廉易于装备的最后一个无线协议是Bluetooth,它的目的是为家庭或办公室提供短距离通讯的规范。使用Bluetooth的装置即使不连在一起,也能相互通讯。
家庭网络市场大战
目前,各芯片厂商、计算机硬件和软件供应商以及联网设备制造商都在积极制定家庭联网经营战略,寻求合作伙伴并推出联网设备,大多数项目在今年将取得进展。为适应用户的实际需求,许多厂商推出了低成本联网方案。过去只服务于商业用户的联网运营商和联网设备制造商也认为,既然绝大多数商业计算机已实现了联网,那么目前正是一个转入更大的新市场的大好时机。现在家庭无线联网技术市场被几家有实力的竞争公司和各种互不兼容的标准一齐分割了。例如,高带宽无线联网运营公司Dhare Ware最近得到Cisco的股票投资,而且其数字无线联网技术已被用于菲利浦电子公司的AMB I型PC机和电视机的无线接口中。同样,Intel公司也对无线网络运营公司——Radio LAN投资,该公司拥有采用5.8GHz频率技术的10Mbps无线局域网解决方案。Proxim公司从去年底一直在扩大销售Symphony 2.4 GHz SOHO无线联网设备。今年初,Home Wireless Networks公司也向用户交付了900MHz、2Mbps数据传输距离为460米的HWN308无线联网系统。甚至电话线联网技术大运营商Intellon公司也推出了据称可高达100Mbps速度的电话线联网技术的无线版。
Cisco、3Com、Sun、IBM、德州仪器、索尼、Intel、Motorola以及微软这些大公司都宣布了发展家庭网络的战略和计划,例如Cisco将采用电话线联网技术。微软也将首先发展电话线技术,随后发展无线网络和交流电源线联网技术。3Com公司也将首先发展电话线联网技术,随后发展无线联网和交流电源线联网技术。IBM将开发用于电话线联网的各种芯片、控制器及其他硬件产品。Intel公司将在发展电话线联网技术的同时,对无线局域网运营公司RadioLAN投资。Nortel公司将发展电话线技术联网硬件产品,其分公司Bay Networks已开始制造有线调制解调器。日本松下公司也对家庭局域网联网芯片设计公司——Epigram公司投资入股。
据Cahners In-Star Group预测,美国家庭局域网市场将出现快速增长局面,从1999年接近于零开始,直到2003年,美国联网计算机和其他设备零部件的零售额预计将逐年增长到600%,达到14亿美元。美国5000万户家庭中的34%拥有一台PC机或两台以上的有源系统,而且拥有多台PC机的家庭数量的增长快于IDC预测的PC机平均增长率。随着宽带互联网接入技术的广泛使用,家庭对外设和信息数据共享的需求也将大幅增长。IDC预计,美国2000年有600万个网络节点交付家庭使用。Cahners In-Star Group也预计,用户对新型网络调制解调器、卫星和数字用户线(DSL)等相对昂贵的高速互联网接入服务的需求将大幅增长,相反,问世不到一年的调制解调器家庭联网方案的市场却并不太火爆。
家庭网络可能采取哪种形式为最佳?短期内,电话线联网技术似乎最有优势。然而电力线联网技术使用更简单,更有灵活性,只不过目前还达不到所需的更高速度。而高价位是目前无线联网技术使许多用户望而怯步的主要原因。分析家认为,如果无线联网设备厂商能把价格降下来,这种技术将可能垄断整个家庭网络市场。作出这样的预测是因为我们正向一个无线世界挺进,无线联网技术进入家庭将是无法阻挡的历史趋势。对此,AMD公司家庭网络联盟主席Cyrus Namazi指出:“过去人们关注的焦点一直是最后一英里的问题;准确地说,这只解决了一半,家庭网络才是宽带连接最后一百码需完成的任务”。