蔡 浩 熊 馳

1 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430052

2 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430050

引言

隨著中國(guó)社會(huì)信息技術(shù)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益完善，在進(jìn)入21世紀(jì)第2個(gè)10年后，逐步推廣的光纖到用戶(Fiber To The X, FTTx)技術(shù)和逐漸普及類型豐富的各類移動(dòng)終端設(shè)備，使得立足于高接入帶寬要求的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)智能化信息服務(wù)得以快步進(jìn)入千家萬(wàn)戶。家庭用戶通過(guò)各類筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)和譬如華為密盒、小米盒子等類型的數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)信息互動(dòng)，方便、快捷地享受到越來(lái)越智能化、高效化、人性化和安全化的數(shù)字生活及服務(wù)。

家庭智能組網(wǎng)也已經(jīng)成為一個(gè)非常實(shí)際的時(shí)尚話題，各種家庭終端設(shè)備通過(guò)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組成家庭局域網(wǎng)(Home Area Network/Family Area Network, HAN/FAN)。HAN用于連接和協(xié)調(diào)多種家庭設(shè)備的各種技術(shù)組件和信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和資源共享。但是，家庭內(nèi)部信息的互聯(lián)互通僅僅是組成了家庭內(nèi)部的局域網(wǎng)(LAN)。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，家庭用戶更加需要將家庭范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)、信息與家庭的外部數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行傳遞、交換，無(wú)疑這樣的場(chǎng)景或者功能才是家庭智能組網(wǎng)的目的所在；因此，家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備(Home Gateway)能夠承擔(dān)著家庭內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的“上傳下達(dá)”功能，滿足上述場(chǎng)景。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商在固定寬帶接入網(wǎng)技術(shù)方面所采用的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)主流技術(shù)由吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)和以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)構(gòu)成。國(guó)內(nèi)的光接入設(shè)備廠商(華為、中興和烽火等)都有各自的光接入產(chǎn)品[1]。這些部署在家庭或者室內(nèi)區(qū)域內(nèi)的光接入產(chǎn)品通常被稱為光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit, ONU)。為滿足終端用戶的不同業(yè)務(wù)接入場(chǎng)景的大帶寬接入需求，這類ONU設(shè)備構(gòu)成了形態(tài)各異的產(chǎn)品體系。隨著FTTx技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展和普及，滿足家庭用戶匯聚到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)需要的家庭網(wǎng)關(guān)ONU設(shè)備(簡(jiǎn)稱家庭網(wǎng)關(guān))應(yīng)運(yùn)而生。如圖1所示，這類類型和功能豐富的PON上行家庭網(wǎng)關(guān)隨著家庭用戶大帶寬接入需求，被快速部署到萬(wàn)千家庭。

圖1 家庭網(wǎng)關(guān)連接外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)示意圖

1 家庭網(wǎng)關(guān)的能力集

在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)PON上行家庭網(wǎng)關(guān)的通信產(chǎn)品公司中，華為、中興和烽火等設(shè)備廠商的家庭網(wǎng)關(guān)類商用產(chǎn)品占據(jù)了寬帶接入類家庭設(shè)備的主流市場(chǎng)份額。家庭網(wǎng)關(guān)的主要功能包括：1)作為所有外部網(wǎng)絡(luò)連接到家庭內(nèi)部，同時(shí)將家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接到外部的一種物理接口；2)使家庭用戶可以獲得各種家庭服務(wù)(包括視頻點(diǎn)播、回看功能和基于位置的服務(wù)等各業(yè)務(wù))的平臺(tái)。如圖2所示，家庭網(wǎng)關(guān)終端的物理接口分為網(wǎng)絡(luò)(WAN)側(cè)和用戶(LAN)側(cè)接口兩大類，它通過(guò)WAN側(cè)接口接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)WAN側(cè)接口為家庭內(nèi)部各種終端設(shè)備提供寬帶上網(wǎng)、語(yǔ)音、IPTV等服務(wù)。

圖2 家庭網(wǎng)關(guān)的接口

同時(shí)，家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)LAN側(cè)接口連接家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各種設(shè)備，為家庭用戶提供各種服務(wù)的接入功能。以華為的一款家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品HG8247為例(如圖3所示)，其通過(guò)GPON/EPON技術(shù)向家庭/SOHO用戶提供對(duì)應(yīng)多業(yè)務(wù)超寬帶接入服務(wù)。此款家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備的端口集合為2POTS+4GE+1USB+1CATV+1WiFi，它可以向家庭用戶提供2個(gè)語(yǔ)音接口(POTS)、4個(gè)自適應(yīng)以太端口(GE/FE)、1個(gè)CATV接口和Wi-Fi接口的接入服務(wù)。這類承載多種業(yè)務(wù)功能的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，有效保障家庭用戶的話音、數(shù)據(jù)和高清視頻的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

圖3 華為家庭網(wǎng)關(guān)HG8247

通常情況下，家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品依據(jù)能夠提供給家庭用戶的不同功能的WAN/LAN側(cè)端口劃分成不同的功能集合。WAN側(cè)接口和LAN側(cè)接口類型比較多，具體可參考表1。

在家庭智能網(wǎng)中，這類集合稱之為能力集(Capability Sets)，它用于表示設(shè)備上不同目標(biāo)業(yè)務(wù)和相應(yīng)業(yè)務(wù)特征的集合。各個(gè)運(yùn)營(yíng)商正是通過(guò)各種不同能力集類型的家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)滿足家庭用戶多種多樣的業(yè)務(wù)要求和場(chǎng)景。

2 家庭網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)適配流程

如圖4所示，家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)其上的數(shù)據(jù)、應(yīng)用進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、控制和管理，并通過(guò)WAN側(cè)接口與網(wǎng)元管理系統(tǒng)(Element Management System, EMS)和終端綜合管理系統(tǒng)(Integrated Terminal Management System, ITMS)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的通信，提供各種可管理、可控制的應(yīng)用。以中國(guó)電信的E8家庭網(wǎng)關(guān)為例，E8終端分為E8B和E8C兩種設(shè)備型態(tài)，其中E8C具有POTS口，可支持VOIP，而E8B無(wú)POTS，不支持VOIP。中國(guó)電信通過(guò)這兩類家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備的不同形態(tài)、接口，為家庭用戶提供相類似的用戶界面和不同的業(yè)務(wù)功能功能。并通過(guò)EMS或者ITMS平臺(tái)，遠(yuǎn)程管理這類家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)安全、業(yè)務(wù)性能、運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備軟硬件版本等內(nèi)容[1]。

圖4 中國(guó)電信家庭網(wǎng)關(guān)相關(guān)業(yè)務(wù)

如表2所示，PON上行的家庭網(wǎng)關(guān)主要通過(guò)以下各種外部系統(tǒng)或模式進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)功能的配置及修改。

當(dāng)前，上述各種配置方式，都不支持家庭網(wǎng)關(guān)能力集的配置功能。

表2 ITMS/EMS等家庭網(wǎng)關(guān)配置方式

3 家庭網(wǎng)關(guān)能力集管理的問(wèn)題

伴隨3G/4G業(yè)務(wù)全面開(kāi)展、“光進(jìn)銅退”以及FTTx技術(shù)進(jìn)入萬(wàn)千公司、企業(yè)和家庭用戶，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入寬帶時(shí)代[2]。各種類型的家庭網(wǎng)關(guān)一方面依托不同能力集端口能夠很好地適用于公司、企業(yè)及家庭用戶的各種場(chǎng)景，另一方面也給家庭網(wǎng)關(guān)生產(chǎn)廠商的項(xiàng)目、版本管理和運(yùn)營(yíng)商的海量運(yùn)維管理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[3]。如圖5所示，各運(yùn)營(yíng)商也因?yàn)楦鱾€(gè)廠商的家庭網(wǎng)關(guān)的各種不同能力集，需要在ITMS或者EMS平臺(tái)上維護(hù)各種類型家庭網(wǎng)關(guān)的部署、控制、業(yè)務(wù)管理、維護(hù)升級(jí)等樹(shù)形結(jié)構(gòu)信息。

圖5 EMS上增加家庭網(wǎng)關(guān)能力集管理

在FTTx技術(shù)中，家庭網(wǎng)關(guān)的注冊(cè)授權(quán)管理是PON的關(guān)鍵技術(shù)之一，過(guò)去各運(yùn)營(yíng)商一般都通過(guò)唯一識(shí)別的類型碼來(lái)管理各種不同類型的家庭網(wǎng)關(guān)[4]。家庭用戶的寬帶接入場(chǎng)景多種多樣，必然導(dǎo)致家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備類型也越來(lái)越多。不同的家庭網(wǎng)關(guān)，其端口種類、端口數(shù)目、軟件功能的差異等都會(huì)唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)類型碼，因此，通過(guò)類型碼管理家庭網(wǎng)關(guān)的管理成本就會(huì)提高。而且，不同廠家的家庭網(wǎng)關(guān)的類型碼無(wú)法統(tǒng)一，互通性很差。如圖6所示，ITMS對(duì)于一個(gè)廠家類型碼對(duì)應(yīng)的物理屬性和功能屬性，其他廠家無(wú)法下發(fā)對(duì)應(yīng)的配置參數(shù)，也就無(wú)法對(duì)該類型碼的家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行精確配置管理。

圖6 ITMS管理家庭網(wǎng)關(guān)能力集

寬帶運(yùn)營(yíng)商在運(yùn)維、管理過(guò)程中，希望有一套統(tǒng)一的策略，能夠?qū)Σ煌瑥S商不同類型的家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行“無(wú)差別”管理。家庭網(wǎng)關(guān)生產(chǎn)廠商也希望生產(chǎn)的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備既能夠充分滿足客戶不同接入業(yè)務(wù)的場(chǎng)景需求，又能夠在硬件成本持續(xù)降低的前提下，對(duì)硬件進(jìn)行必要的冗余處理，使之能夠通過(guò)軟件配置方式降低后期項(xiàng)目、版本的維護(hù)管理成本。同時(shí)，家庭用戶也能夠更加靈活、主動(dòng)的對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行比如業(yè)務(wù)定制、業(yè)務(wù)變更等個(gè)性化的操作配置，方便自己的個(gè)性化需求被快速實(shí)現(xiàn)。

為了增強(qiáng)家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備的互聯(lián)互通性，降低家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備的管理成本，并方便家庭用戶的個(gè)性化需求，家庭網(wǎng)關(guān)廠商可以考慮在家庭網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)適配層和驅(qū)動(dòng)配置模塊間，抽象出一層模版配置層(如圖7所示)。這樣，不同類型、不同廠商的家庭網(wǎng)關(guān)就可以被ITMS或者EMS平臺(tái)以各種能力集模版來(lái)區(qū)分，并以一種數(shù)據(jù)模版集的方式統(tǒng)一管理。

圖7 家庭網(wǎng)關(guān)模版適配層

4 能力集XML模版

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，標(biāo)記語(yǔ)言(Markup Language)指承載計(jì)算機(jī)所能理解的信息符號(hào)，通過(guò)XML(Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)之間可以處理各種信息，比如文章、數(shù)據(jù)等[5]。XML是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語(yǔ)言。XML類似于HTML，它用于傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，其焦點(diǎn)是數(shù)據(jù)的內(nèi)容(如圖8所示)。HTML用來(lái)顯示數(shù)據(jù)，其焦點(diǎn)是數(shù)據(jù)的外觀呈現(xiàn)效果[5]。

圖8 XML語(yǔ)言

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用中，XML元素指的是從開(kāi)始標(biāo)簽(且包括)直到結(jié)束標(biāo)簽(且包括)的所有部分。XML元素可包含其他元素、文本或者兩者的混合物。圖8中＜to＞是一個(gè)開(kāi)始標(biāo)簽，＜/to＞是一個(gè)結(jié)束標(biāo)簽，＜to＞Candy＜/to＞是一個(gè)元素。XML元素也可以擁有屬性，例如＜heading color="red"＞Reminder＜/heading＞的XML元素中，color="red"是其屬性部分。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序，就可將＜to＞、＜from＞以及＜body＞元素提取出來(lái)，并產(chǎn)生如圖9的文件格式輸出。

圖9 XML文件可輸出mail格式內(nèi)容

借助XML元素可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的特性，家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)XML模版配置層功能，解析網(wǎng)管平臺(tái)(ITMS和EMS)下發(fā)的配置，可以在相同類型設(shè)備上設(shè)置不同的能力集信息。在硬件條件允許的前提下(隨著硬件成本的不斷降低，涉及家庭網(wǎng)關(guān)的能力集硬件能夠冗余匹配)，相同出廠設(shè)置的家庭網(wǎng)關(guān)就可以由運(yùn)營(yíng)商或者最終用戶依照需求進(jìn)行配置，配置后就能夠呈現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)特性。GPON ONU家庭網(wǎng)關(guān)的LED點(diǎn)燈特性的XML配置X_GponLed，可以用XML模版適配方式下發(fā)。如下XML配置所示，此類家庭網(wǎng)關(guān)的LED點(diǎn)燈特性與GPON ONU注冊(cè)上線流程匹配。借助XML配置文件，可以配置家庭網(wǎng)關(guān)在GPON ONU注冊(cè)上線不同階段的不同LED點(diǎn)燈效果(包括設(shè)置LED燈的ID，LED燈顏色、頻率及名稱等)。

如表3所示，以用戶A的寬帶接入業(yè)務(wù)場(chǎng)景為例，在2014年該用戶采用了移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的寬帶接入業(yè)務(wù)，并購(gòu)買(mǎi)了移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的家庭網(wǎng)關(guān)。而到2015年，電信運(yùn)營(yíng)商的接入業(yè)務(wù)開(kāi)展活動(dòng)，該用戶可以以相同價(jià)格，開(kāi)通語(yǔ)音、IPTV和寬帶接入業(yè)務(wù)。整個(gè)寬帶業(yè)務(wù)更換的過(guò)程，客戶僅需要按原來(lái)方式在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行申請(qǐng)，并完成相應(yīng)繳費(fèi)流程，即可實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)接入需求的變更。這種方式無(wú)需更換家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備，保障了家庭用戶的利益和業(yè)務(wù)變更訴求。

表3 兩種方式開(kāi)通業(yè)務(wù)比較

在用戶變更為其它運(yùn)營(yíng)商的場(chǎng)景下，如果采用上述XML模版方式，不但可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)商或用戶的變更成本，還可以通過(guò)能力集XML配置下發(fā)方式，以時(shí)間短、風(fēng)險(xiǎn)小的方式平滑完成用戶的業(yè)務(wù)變更要求。這類特性，無(wú)需采用家庭網(wǎng)關(guān)原來(lái)的升級(jí)配置方式(即能力集特性被寫(xiě)入到軟件代碼中固化了，且必須伴隨固件升級(jí)一起下發(fā)后才能修改相應(yīng)特性)，而是以XML模版來(lái)承載，由運(yùn)營(yíng)商或者最終用戶按業(yè)務(wù)需求來(lái)訂制下發(fā)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)平臺(tái)來(lái)下發(fā)家庭網(wǎng)關(guān)的能力集XML模版的處理方式，增強(qiáng)了運(yùn)營(yíng)商運(yùn)維管理家庭網(wǎng)關(guān)的靈活度。更重要的是，這類方式為最終用戶節(jié)省了變更設(shè)備及業(yè)務(wù)的部分投入，并給他們帶來(lái)了業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的便利。

5 能力集XML模版適配流程

家庭網(wǎng)關(guān)的能力集配置過(guò)程也可以通過(guò)上述方式配置下發(fā)，能力集配置數(shù)據(jù)主要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)內(nèi)部模塊處理，它們是：系統(tǒng)管理處理(SMP，System management processor)模塊、適配管理處理(AMP，Adapt management processor)模塊和系統(tǒng)設(shè)置處理(SSP，System setting processor)模塊。

以LED點(diǎn)燈特性為例，家庭網(wǎng)關(guān)在獲取能力集XML模版后，調(diào)用XML模塊適配層適配處理能力集模版中的LED點(diǎn)燈配置信息，然后對(duì)本地LED點(diǎn)燈的能力集接口功能進(jìn)行配置更新，最后下發(fā)到驅(qū)動(dòng)層。

各功能模塊家庭網(wǎng)關(guān)的能力集XML模版的配置、下發(fā)過(guò)程如圖10所示。

圖10 家庭網(wǎng)關(guān)能力集配置流程

家庭網(wǎng)關(guān)的AMP模塊通過(guò)多個(gè)通道接收XML能力集配置模版數(shù)據(jù)，并進(jìn)行語(yǔ)法、數(shù)據(jù)的檢查。然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給XML模版適配層處理。該層逐一解析XML元素及屬性相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確后，家庭網(wǎng)關(guān)將待處理配置數(shù)據(jù)信息交給SMP模塊處理，SMP模塊分析待配置的能力集信息，分析待調(diào)用處理的SSP接口。最后，SMP模塊發(fā)送這些配置信息到SSP模塊，再由SMP模塊依據(jù)不同的能力集驅(qū)動(dòng)接口，將這些配置信息下發(fā)驅(qū)動(dòng)，完成實(shí)際配置。

6 總結(jié)與展望

國(guó)家十二五規(guī)劃中已經(jīng)明確將無(wú)線智能家庭產(chǎn)業(yè)與新能源、文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)等并列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，將投入重金予以扶持發(fā)展。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，當(dāng)前寬帶應(yīng)用需求越來(lái)越多，尤其在視頻和端到端應(yīng)用的興起后，人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。

本文基于XML文件格式，提出一種應(yīng)用于家庭網(wǎng)關(guān)的實(shí)用性強(qiáng)的能力集模型設(shè)計(jì)方案?；谏鲜龇桨?，家庭用戶能夠以更加靈活、主動(dòng)的方式，對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行業(yè)務(wù)定制，方便實(shí)現(xiàn)其個(gè)性化的需求。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商能夠快速應(yīng)對(duì)家庭用戶多接入業(yè)務(wù)及其業(yè)務(wù)變更的需求，并且能夠低成本、高效運(yùn)維管理家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

在家庭網(wǎng)關(guān)的固件版本升級(jí)運(yùn)維的實(shí)際應(yīng)用中，由于不同廠商的家庭網(wǎng)關(guān)的多種軟件功能及特性不同，運(yùn)營(yíng)商往往需要配置不同的升級(jí)策略，并進(jìn)行不同的升級(jí)時(shí)間安排。后續(xù)，可以考慮將軟件功能模塊化，由家庭網(wǎng)關(guān)的廠商負(fù)責(zé)軟件升級(jí)或者內(nèi)置到設(shè)備上。軟件特性是否啟用，則由運(yùn)營(yíng)商依據(jù)家庭用戶的實(shí)際需求來(lái)決定。當(dāng)用戶提出相應(yīng)需求后，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)本文提出的家庭網(wǎng)關(guān)的能力集XML模版方案下發(fā)配置參數(shù)后，啟用家庭網(wǎng)關(guān)上的軟件功能，滿足客戶的不同業(yè)務(wù)需求。

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