1 引言

随着信息服务日益向宽带化发展，家庭网络正在形成一个巨大的市场，受到网络服务提供商、设备制造商、家电以及IT等各个产业的关注，提供了前所未有的发展机遇。家庭网络不仅仅是一个为了完成家庭内部各种设备资源共享、协同工作的网络，还能通过与外部网络(电信网／Internet／社区网)的连接，实现家庭内部设备与外部网络信息交流的目的，通过丰富多彩的业务和应用使用户享受到舒适、便利、安全等新的生活体验。家庭网络建设可充分利用家庭内部的有线和无线物理介质，包括五类线，电力线，有线电视同轴电缆(Cable)，Wi-Fi，UWB等。其中，由于有线电视网络的普及，全国上亿家庭已经铺设了Cable，同时 Cable又可以提供高质、高速的数据传输，因此基于 Cable的高速家庭网络引起越来越多的关注，并产生了多种技术。这些技术基于Cable网络，无需重新铺设五类线；不仅可以实现家庭内部设备互联，也可以在接入网建设到楼道后用于最后100m接人，实现有线电视网双向化改造。

本文将对几种主要的基于Cable的高速家庭网络技术进行介绍，包括MoCA，Wi-FioverCable，EoC和 HomePlugoverCoax等。

2 MOCA

2．1 MoCA联盟介绍

MoCA(MultimediaoverCoaxAlliance，同轴电缆多媒体联盟)是一个开放的行业推动组织，致力于通过家庭中现有的同轴电缆分发数字视频、数据和娱乐产品。 MoCA联盟由Comcast，EchoStar，Entropic Communi- cations，Linksys，摩托罗拉，松下，RadioShack和东芝等公司于2004年共同建立，至今其成员公司已超过50家。

2006年，MoCA联盟发布了MoCAl.0MAC／PHY Spec，对MoCA的物理层和MAC层进行了规范。许多厂家已经提供了内嵌MoCAl.0规范的各种产品，包括机顶盒、路由器、网关、网桥和ONT等。2007年底， MoCA联盟批准通过了MoCA 1.1，可为多媒体业务提供更好的QoS，并且把有效数据速率提高到 175Mbit／s，Entropic公司已开发出符合MoCA1.1标准的芯片组。MoCA联盟发布的标准除了完整的技术规范外，还包括认证测试计划和程序，以供要采用这一规范的公司使用。几家公司已经开始测试这一规范，以确保产品之间的互操作性。Actiontec，Entropic， Linksys，Mototech，摩托罗拉，松下，2Wire和Westell 已经通过了MoCA认证。

2．2技术特征

有线电视在Cable上进行传输时，一般是占用 50～850MHz频段，而MoCA主要利用800 1550MHz 频段来完成数据传输。工作频段可划分为29个频道，每频道带宽为50MHz，步长25MHz。MoCA采用 OFDM和自适应m-QAM调制方式，每频道可提供 270Mbit，s的最大物理传输速率和l35Mbit／s的有效数据速率，MoCA l.1通过聚合功能可提供175Mbit／s的有效速率。每频道使用一个局端设备NC(Network Controller)，每个NC可支持31(63)个CPE设备，最大传输距离可达600m。在同一段Cable上可线性叠加 MoCA频道，扩展数据带宽和用户数量。目前，一段 Cable链路上可同时支持4个频道，有效数据速率 >400Mbit／s，并且即将升级到支持8频道，有效传输速率可达1Gbit／s，同时支持的用户数超过500个。

MoCA的双工方式为时分双工TDD，采用时分多址TDMA，所有节点发送和接收都在同一载波上进行。MoCA的MAC协议设计为无冲突的，信道接人完全由NC控制，NC根据每个节点的请求来为其分配传输的时隙。在MoCA网络中，NC处于一个中心地位，除了负责每个节点的传输时隙分配外，还负责新节点的加入、密钥管理等功能。NC由网络中的节点根据一定的原则自动选举产生，并支持备用NC以便在当前NC出现故障时进行快速切换。

MoCA成立之初的一个重要目的是为了在Cable 上传输多媒体业务，因此MoCA具有一套QoS机制来保障各种业务的传输质量。MoCA l.0提供基于优先级的OoS保证，具有3个优先级队列，对视频、语音、游戏等业务进行区分服务。而MoCAl l则提供参数化的 OoS保证，可为业务流预留带宽并进行接入控制，为业务提供严格的QoS保证。此外，MoCA在网络安全、设备远程管理与配置等方面都具有良好的支持。

MoCA技术成熟、标准化程度高，已在北美规模应用，实测可提供lOOMbit／s以上的传输速率，低误码、低时延。它不需要改变已有网络布线，也不用增加新的电缆，可以通过分支分配器传输。用户端也无需专业人士进行安装，不需要对调制解调器进行各种设置。在同一频带内进行双向通信，不需要专门留出上行带宽。其缺点在于成本相对较高，但随着生产厂家及出货量的不断增加，价格也有所下降。

3 Wi-Fi over Cable

Wi．Fi是一种基于802.11系列标准的无线网络技术，它可使用户实现无线接入和共享网络资源。与在空中传输相比，尤其在穿墙的情况下，Wi-Fi信号在 Cable中传输损耗小，覆盖范围大，不存在干扰和被干扰问题，同时具有较好的安全性。因此，利用Wi—Fi同时在Cable和空中进行数据传输，可以作为家庭网络联网的一种技术方案，在不同的场合既保持了无线连接的方便易用，又可通过Cable在保持高速率的情况下增大覆盖范围。图1为采用Wi-FioverCable技术的家庭网络互联示意图。图1中，家庭内部采用802.11g 进行数据和视频分发，传输速率可达54Mbit／s。家中两台电脑共享一个基于Cable的宽带Internet连接，一楼的笔记本电脑通过无线直接连接到STB／AP，而二楼的电脑由于墙壁的阻隔，无法与STB／AP建立高质量的无线连接。利用Wi-FioverCable技术，在二楼通过一个分离器连接了STB和Wi-Fi中继器，扩大了高速 wi-Fi信号的覆盖范围，二楼的电脑由中继器接入网络。此外，二楼的电脑如果具备相应接口的网卡，也可直接以Cable的方式接人。

如果在家庭内部利用Wi-FioverCable技术进行联网覆盖，由于传输距离通常较短，所需分支分配器的数量也较少，传输2.4GHz信号时按照0.5～ldB／m 的线路损耗和20～30dB的分支分配器损耗考虑，也基本能够保持较高的数据传输速率。因此，有些公司的产品直接用Cable承载2 4GHz的Wi-Fi信号，比如 T1。Wi-FioverCable技术同时可用于有线电视网络的双向化改造，此时线路距离较长，分支分配器数量增加，从而导致信号衰减较大，不适合在国内5～ 1000MHz带宽的电缆分配网络中工作。为了克服这一问题，一种解决方案是更换已有设备，采用5～ 2500MHz的分支分配器，可以满足Wi-Fi信号在同轴电缆中高速传输时的衰耗要求。这一方案所用技术成熟且已标准化，但是更换设备工作量大，也造成成本上升和器材浪费。因此，也有的厂家采用变频解决方案，即将2.4GHz信号下变频到900MHz lGHz左右的频段，这一方案的主要支持厂家为Atheros。进行信号下变频后，大大减小了电缆和无源分支分配器的损耗，从而可以利用现有的有线电视网络进行数据传输，无需更换现有网络设备。变频解决方案的缺点是标准化较差，不同厂家的设备存在互通问题；用户端设备接口也需要定制，不能利用原有Wi-Fi网卡或内置在Notebook中的Wi-Fi模块。

以802.119／noverCable为例，物理层采用OFDM，调制方式为自适应BPSK，QPSK，m-QAM调制。Wi-Fi overCable的频带利用情况如图2所示。若采用标准的非变频方案，工作频率为2.4GHz；若采用下变频方案，工作频率为900MHz左右，视不同厂家具体实现方案而定。每信道带宽为20／40MHz，可支持l3个信道。

Wi-FioverCable若采用802.11n技术，目前物理层速率可确保l08Mbit／s，最高可达300Mbit／s。但需要说明的是，在Wi-Fi技术中，各层协议开销所占带宽也较大，实际的数据速率可能只有一半左右。MAC协议仍采用Wi-Fi的CSMA／CA，这是基于竞争的TDMA 多址接人协议。双工方式为时分双工。

Wi-FioverCable的优势在于：

●不增加新的缆线。利用家庭内部已有Cable部署，结合Wi-Fi技术本身可实现有线、无线对家庭的联合覆盖。在需要穿墙等无线信号衰减较大的地方，利用Cable电缆传输Wi—Fi射频信号，衰减小，可有效延长传输距离，增大覆盖范围。

●技术成熟。Wi-Fi技术已被广泛使用，即使是尚未完全标准化的802.11n，也已经有大量芯片厂商提供相关产品。

●速率高。802.11g可提供54Mbit／s的物理层传输速率，而802.11n可确保108MbWs，目前最高可达 300Mbit／s。虽然物理层开销需要占用大量带宽，但仍可为家庭内部提供数十M至上百M的带宽。

●成本低廉。将Wi-Fi信号送入Cable传输，只需经过阻抗变换，采用无源器件，大大降低了成本，且可以进行滚动式投资。

Wi-FioverCable技术的不足在于：2.4GHz信号在当前的有线电视分配网络中传输衰减较大，不适合应用于有线电视网络双向化改造的场合。若更换现有器件则工作量太大且造成成本上升和不必要的浪费；如果采用降频的方法，由于是非标准方式，则带来不同厂家产品的互通问题。

4 EoC技术

EoC(Ethemet over Coax)是指通过同轴电缆传输以太网信号的技术，可分为基带EoC(无源EoC)和调制EoC(有源EoC)两大类。基带EoC不改变原有以太网信号的帧格式，而只是将便于双绞线传输的双极性 (差分)信号转换为便于同轴电缆传输的单极性信号。而调制EoC技术繁多，如前面介绍的MoCA技术， Wi-Fi overCable及下面将要讲到的HomePlug over Coax等都属于这一行列。调制EoC技术将以太网信号经过调制解调等复杂处理后再通过同轴电缆传输，但所传输的信号不再保持以太网信号的帧格式，因此严格说来不能称为‘EoC”。本节主要介绍基带EoC技术。

EoC技术采用频分复用技术，将以太网数据信号和有线电视信号混合在同一根同轴电缆进行传输。 CATV信号在87MHz以上频段传输，以太网信号在 65MHz或45MHz以下频段传输，两种信号共缆传输，工作频段不同所以互不影响。EoC技术的频带利用情况如图3所示。

EOC技术原理如图4所示，主要由二四线变换、高／低通滤波两部分实现。由于采用基带传输，无需调制解调技术，楼道端、用户端设备均是无源设备。由于现有的以太网技术是收／发共两对线，而同轴电缆在逻辑上只相当于一对线，所以在无源滤波器中需要进行4线到2线的转换。

EoC传输由局端设备和用户端设备组成。局端设备负责实现数据信号的交换以及与电视信号的混合，用户端设备实现混合信号的分离。图5为EoC网络结构示意图。其中，楼内局端设备完成数据信号的交换和电视信号的混合，可以保留楼内原有的集中分配器连接到局端设备上，也可以在局端设备集成分配器的功能而完全替换掉现有的集中分配器。家庭内部的插座同时提供RJ-45接口和CATV接口，实现混合信号的分离。

EoC技术中以太网信号利用基带传输，不改变原有以太网信号的帧格式和MAC层，通过无源器件即可实现。优点是每线价格成本低，生产厂商较多，在国内有一定规模的应用；并且由于采用无源设备，网络运行较为稳定、安全，维护成本也较低。其缺点是不能通过分支分配器，只支持点对点的星型分配网络，每线带宽是固定的10Mbit／s，改造的时候必须一次投入到位，不能实现滚动式投资。

5 HomePlugoverCoax技术

2000年3月，由Cisco，HP，Motorola及Intel等数十家企业共同成立HPA(HomePlugPowerlineAlliance．家庭电力线网络联盟)，目标是制定基于电力线的家庭网络标准，目前已发布HomePlug 1.0及其后续版本 HomePlugAV。HomePlug标准虽然是为在电力线上传送高速数据而设计的，但其也可以移植到同轴电缆上，即HomePlugoverCoax。

HomePlugoverCoax完整地借用HomePlug协议，只是修改前端耦合等电路设计来实现。HomePlugover Coax使得原来HomePlug比较难以处理的问题得到解决，如电磁兼容等。在同轴电缆的传输性能要好于电力线，数据流量性能也会好于HomePlug在电力线上的传输。

HomePlugAv的物理层使用0FDM调制方式，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。同时，它使用循环前缀(CP)作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，保证了各信道间的正交性，从而显著降低了信道间干扰。当然，这样做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：CP越长，能量损失就越大。OFDM 中各个子载波频谱有1／2重叠正交，这样提高了 OFDM调制方式的频谱利用率。在接收端通过相关解调技术分离出各载波，同时消除码间干扰的影响。 HomePlugAV在2～28MHz频段使用917个子载波；功率频谱密度可编程，以满足不同国家的频率管制；每个子载波可以单独进行BPSK，QPSK， 8QAM，16QAM，64QAM，256QAM和1024QAM调制；采用TurboFEC错误校验；物理层线路速率达到 200MbitJs，净荷为l50Mbit／s。

HomePlugAV的MAC层同时支持无竞争的 TDMA和基于竞争的CSMA／CA两种多址接人方式。 TDMA面向连接，提供严格的QoS保障，确保带宽预留、高可靠性和严格的时延抖动控制。CSMA／CA是无连接的，为业务提供基于业务优先级的QoS保证。 HomePlugAV网络中，由中央协调器CCo(Central Coordinator)控制所在网络设备的活动，并协调与相邻网络的共存，以支持宽带接人、多网络运行和隐藏节点服务。由于MAC层仍然采用CSMA机制，当网络中 HomePlu9设备节点增加时，碰撞的几率会增加，数据传输的速率也会大大降低。在节点设备较少的家庭联网场合，它仍是一种实用、方便的技术。

HomePlug (AV)over Coax能够方便地实现家庭联网，也可延伸用于最后 100m接人。它可提供 200Mbit／s的共享带宽，实际吞吐量超过100Mbit／s。工作频段低，网络适应性好，能够通过分支分配器，不需要更换优质的分支分配器和电缆。采用0FDM调制方式，也提高了系统的抗干扰能力。技术较为成熟，标准化程度也较高，除了HPA公布的相关规范外，IEEE的标准也正在制定中。其缺点主要存在于两个方面：一是家中需要有源设备，成本偏高；再一个是设计时主要考虑到电力线应用的恶劣环境，其协议中关于纠错方面考虑较多，在一定程度上影响了其传输时有效数据载荷的效率。

6 结束语

随着家庭网络受到越来越广泛的关注，各种高速家庭联网技术也应运而生。其中，由于Cable网络具有覆盖面广、传输性能好、建设家庭网络无需重新布线和提供高速传输速率的优点，基于Cable的高速家庭网络技术成为一个重要分支，除本文所介绍的几种技术外，还包括HomePNAoverCoax，UWBoverCoax等技术。相信随着技术的不断发展和标准化工作的不断完善，基于Cable的高速家庭网络将为用户带来更为优质的用户体验。