【摘　要】討論了HomeRF技術的原理和機制，并與其它幾種家庭網絡技術作了比較。
??? 關鍵詞：家庭網絡 共享無線接入協議 HomeRF技術

1 引　言
　　為了解決消費類電子設備（如PC機、可視電話、無繩電話、PDA等）之間互聯的問題，使它們之間能實現信息共享，各種家庭網絡技術應運而生。
　　目前最引人注目的家庭網絡技術有HomeRF、Bluetooth、IEEE802．11(b)及HomePAN等。由ITU贊助，在Compaq、Intel、Philips、HP、IBM和Microsoft等幾大公司的參與下，HomeRF工作小組致力于實現PC與其它來自不同國度、不同制造商的家用電器設備之間的數字通信。它制定的共享無線接入協議（Share Wirle ss Access Protocol，SWAP）結合了DECT和IEEE802．11的特點，提供了對語音和數據業務的支持，非常適合家居環境中的組網。
2 HomeRF技術
??? HomeRF的SWAP協議模型見圖1，其協議層次與OSI網絡模型有一定的映射關系，但不是完全一一對應。在SWAP中，MAC（介質訪問層）對應數據鏈路層，在其上的協議層則根據開展的業務不同而有所差異，它用TCP/IP承載數據業務、UDP/IP承載流業務（諸如視頻數據流等），同時，為了提供高質量的語音業務，還集成了DECT協議。
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2．1 物理層
　　HomeRF工作在2.4GHz頻段，它采用數字跳頻擴頻技術，速率為50跳/s，共有75個帶寬為1MHz的跳頻信道。調制方式為恒定包絡的FSK調制，分為2FSK與4FSK兩種。采用調頻調制可以有效地抑制無線環境下的干擾和衰落。
??? 在2FSK方式下，最大的數據傳輸速率為1Mb/s，4FSK方式下，速率可達2Mb/s。最新版HomeRF2.x中，采用了WBFH（Wide BandFrequency Hopping）技術來增加跳頻帶寬，由原來的1MHz增加到3MHz、5MHz，跳頻的速率也增加到75跳/s，當然其數據峰值也高達10Mb/s，接近IEEE802．11b標準的11Mb/s，能滿足未來的家庭寬帶通信。它能根據數據傳輸速率動態調整跳頻帶寬，當傳輸速率較低（＜2Mb／s）時，采用1MHz的帶寬，當速率為10Mb／s時，則用5MHz的帶寬進行通信，如圖2所示。
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　　SWAP系統的功耗非常低，100mPW就能覆蓋40米左右的范圍，可以實現一般用戶居室和花園的無縫覆蓋 。
2．2 介質訪問層（MAC）
　　SWAP的MAC層就相當于OSI模型中的數據鏈路層，因此它的功能主要是完成數據幀的封裝、拆封等。
　　如圖3所示，HomeRF將一個跳頻點上的大部分時間用于數據通信，同時根據激活的話音信道數目，動態地為語音業務預留一部分資源，這符合了未來家庭通信以數據為主的發展趨勢。為了滿足實時通信的要求，SWAP為流業務（Stream Meadia）定義了高級別的優先權，可以隨時占用信道資源。丟失的語音數據包，SWAP將在下一個跳頻點的起始時刻進行重傳。
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　　對于數據通信，SWAP采用了IEEE802．11中的CSMA／CA（帶沖突避免的載波偵聽多路訪問）方式，而語音業務則采用基于DECT系統的TDMA方式。
　　SWAP定義了兩種類型的幀結構，一種是20ms的超幀（Superframe），另一種是10ms的子幀(Subfram　e)，這兩種幀分別用于不同的場合。參見圖4(a)，當網絡中只有數據業務時，HomeRF將使用超幀，在一個跳頻點上的通信時間為20ms，并且采用異步方式，當網絡中有語音業務時，采用10ms的子幀，并增加了一個標志位（圖4中的B標志），以同步方式進行通信。圖4描述了同時進行語音、數據通信時，幀結構的變化情況。
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2．3 網絡層
　　如圖1所示，SWAP采用了Internet的TCP／IP協議，TCP協議應用于一般的數據通信，而UDP協議用于開展流業務（Stream Media）。
　　SWAP組網的形式非常靈活，既可以采用ad－hoc網絡，也可以作為控制網絡使用。在ad－hoc結構的網絡中，所有的接入點之間都是平等的，既可以作為主機也可以作為路由器，由各點對網絡進行分布式控制，不過這種網絡結構只支持數據通信，而對于對時間有要求的業務（例如語音通信等），則必須采用控制網絡，這時就要有一個專門的控制點（Control Point，CP）對整個系統進行管理與協調，它通過標準的接口如USB與PC機相連，就可以成為一個接入PSTN的網關，同時 ，在這個CP點中加入功率管理模塊，合理安排網絡中各種設備的喚醒和輪詢時間，就可以延長電池使用的壽命。
　　在SWAP中，一個子網有一個24bit的ID號，最多能容納256個接入設備。這些接入設備主要分為四種類型：
??? ·連接點（Connection Point），相當于控制點CP，能支持語音和數據通信。
　　·語音終端設備，采用TDMA方式進行語音通信。
　　·數據節點設備，采用CSMA／CA方式進行數據通信。
　? ·其它能同時支持語音和數據業務的節點設備。
　　HomeRF1．x的終端實際上就已經能實現真正意義上的漫游，但是在標準協議中對越區切換和多地址沖突的問題沒有詳細的描述。新版的HomeRF2．0協議中對漫游機制進行了規范性的描述，可以實現終端在相鄰接入點之間的無縫切換。
2．4 語音通信
　　為了提供高質量的語音通信，HomeRF繼承了目前相當成功的無繩電話系統——DECT的協議與規范。
　　HomeRF2．0的話音質量可以達到4．1MOS，而一般的公用電話的質量為4．3MOS，移動電話的語音質量只有3．4MOS。由于是以DECT為基礎，HomeRF能繼續支持各種新業務，諸如呼叫等待、呼叫轉移，系統中可容納多達8個激活的話音信道。
　　2．4GHz ISM頻帶是對全球都開放的頻帶，廣泛應用于科研、工業、醫療系統中，這一頻段幾乎所有國家、企業、個人都無需申請就可以使用，因此工作在這個頻段的無線通信系統會遇到不可預測的干擾源，例如某些家電、無繩電話、其它的無線局域網、微波爐等等，這些干擾會造成分組包的丟失，為解決這個問題，HomeRF采用了重傳的機制，如圖5所示，在頻點fN處，由于外界的干擾造成語音數據包丟失，于是由CP控制點（ControlPoint）安排在下一個頻點的10ms時間里重傳。
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2．5 數據通信與流業務（Stream Media）
　　為了實現對數據包的高效傳輸，HomeRF采用了IEEE802．11標準中的CSMA/CA模式，它與CSMA/CD類似，以競爭的方式來獲取對信道的控制權，在一個時間點上只能有一個接入點在網絡中傳輸數據。
　　與其它協議不同的是，HomeRF提供了對流業務（Stream Media）真正意義上的支持。由于對流業務規定了高級別的優先權并采用了帶有優先權的重發機制，這樣就確保了實時性流業務所需的帶寬和低干擾、低誤碼。SWAP最多可以同時支持8個激活的流業務信道，這些流業務可以采用單工 、雙工及多播方式。
　　流業務的典型應用為交互式的視頻會議、無線耳機、杜比環繞立體聲等。
2．6 安全機制
　　隨機的跳頻方式以及低功率傳輸，可以有效防止外界對系統進行惡意攻擊及截獲數據。HomeRF對數據采用了Blowfish加密算法（有多達1萬億個碼字），進一步增加了數據的安全性 。
3 與其它家庭網絡協議的比較
　　家庭網絡主要分為兩大類：有線網絡和無線網絡。有線網絡主要是利用家中的電話線或電力線進行組網；無線網絡則主要是利用2．4GHz頻段的無線資源組網。
3．1 有線組網
3．1．1　電話線組網
　　HPNA組織（Home Phoneline Networking Alliance）制定了在現有電話線上實現家庭網絡的標準，有1．0和2．0兩個版本，其中HPNA1．0支持1Mbps的傳輸速率，而HPNA2．0可以達到2Mbps。
　　HomePNA采用頻分復用技術實現了在現有電話線上承載多業務而不相互干擾，不同的業務被分配到了不同的頻段。HomePNA使用簡單、維護方便，有較合適的性價比，支持Internet接入，支持接口V．90、ADSL和Cable Modem，而且它可以與以太網或HomeRF共同使用。
3．1．2　電力線組網
　　利用家中現有的電力線也可以組網，Enikia、Intellon和Intelogis公司正從事這方面的工作 。數據在傳輸前先進行加密，而且信號衰減較快，從而保證了安全性。但電力線有其缺陷：易受到諸如閃電之類的干擾，而且閃電還會對設備造成威脅。目前，電力線網絡支持以太網標準，所以它們之間的軟件可以通用。
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3．2 無線組網
　　連接家庭網絡最理想的技術就是無線通信技術。目前，主要有三種家庭無線組網技術：IEEE802．11（無線局域網）、HomeRF和Bluetooth藍牙技術。
3．2．1 IEEE802．11標準
　　IEEE802．11是無線局域網標準，它主要定義了物理層和MAC層的規范。在物理層，支持紅外線、FHSS跳頻擴譜以及DSSS直擴方式。其MAC層采用了CSMA／CA載波監聽多重訪問／沖突避免（Carrier Sense Multi ple Access with Collision Avoidance）協議。 802.11a和802．11b是兩個擴展的標準，802．11a工作在5GHz頻段，傳輸速率高達54Mb／s，而工作在2．4GHz頻段的802．11b則適合于家居環境，最高速率可達11Mb／s。
　　不過，IEEE802．11產品與HomeRF相比，價格過高，而且目前它只支持數據通信。
3．2．2　Bluetooth技術
　　藍牙計劃是由愛立信、諾基亞、英特爾和東芝等五大公司發起的，它的目標是提供一種通用的無線接口標準，用微波取代傳統網絡中錯綜復雜的電纜，在藍牙設備間實現方便快捷、靈活安全、低成本低功耗的數據和話音通信。
　　藍牙的工作頻段選在全球都可用的2．45 GHz，以1600跳／s的速率進行跳頻通信，以2.45GHz為中心頻率，選用了79頻點，信道帶寬為1MHz。在發射帶寬為1MHz時，其有效數據速率為721 kbit／s，通信范圍約為10米。藍牙規范的協議棧采用分層結構，完成數據流的過濾和傳輸、跳頻和數據幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數據的拆裝、業務質量（QoS）、協議的復用和分用等功能。
　　目前，藍牙技術得到了許多廠家的支持，但其在家居環境下的通信質量依然不太理想，與HomeRF相比，抗干擾能力不強，而且受到干擾后，數據速率迅速下降。
　　總的來講，IEEE802．11比較適于商業環境下的無線網絡，藍牙技術適合于移動設備之間的互連，而HomeRF則適合家居環境中的通信。表1比較了這幾種技術的特點。
4　結束語
　　HomeRF不同于其它技術之處在于，它從一開始就定位于構建家庭網絡，充分考慮了家居環境中的各種因素，因此適合今后家庭的寬帶通信。
　　在今后幾年，家庭網絡的年平均增長率將達到95%，而利用無線技術組網將呈逐年增長的趨勢，HomeRF技術以其良好的性價比已得到用戶的肯定。 1　Kevin J Negus．Overview of the HomeRF．http：//www．HomeRF．org