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

隨著中國社會信息技術(shù)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益完善，在進入21世紀第2個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)得以快步進入千家萬戶。家庭用戶通過各類筆記本電腦、平板電腦、手機和譬如華為密盒、小米盒子等類型的數(shù)字機頂盒設(shè)備即可實現(xiàn)信息互動，方便、快捷地享受到越來越智能化、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)成為一個非常實際的時尚話題，各種家庭終端設(shè)備通過相關(guān)協(xié)議標準組成家庭局域網(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，實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)訪問和資源共享。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)。在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，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)、信息進行傳遞、交換，無疑這樣的場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)能夠承擔著家庭內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的“上傳下達”功能，滿足上述場景。

當前，國內(nèi)三大運營商在固定寬帶接入網(wǎng)技術(shù)方面所采用的無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)主流技術(shù)由吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)和以太無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)構(gòu)成。國內(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)的演進發(fā)展和普及，滿足家庭用戶匯聚到運營商網(wǎng)絡(luò)需要的家庭網(wǎng)關(guān)ONU設(shè)備(簡稱家庭網(wǎng)關(guān))應(yīng)運而生。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

在國內(nèi)開發(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)(包括視頻點播、回看功能和基于位置的服務(wù)等各業(yè)務(wù))的平臺。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WAN側(cè)接口接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，通過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)、語音、IPTV等服務(wù)。

圖2 家庭網(wǎng)關(guān)的接口

同時，家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過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GPON/EPON技術(shù)向家庭/SOHO用戶提供對應(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個語音接口(POTS)、4個自適應(yīng)以太端口(GE/FE)、1個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。

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)備上不同目標業(yè)務(wù)和相應(yīng)業(yè)務(wù)特征的集合。各個運營商正是通過各種不同能力集類型的家庭網(wǎng)關(guān)來滿足家庭用戶多種多樣的業(yè)務(wù)要求和場景。

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)備對經(jīng)過其上的數(shù)據(jù)、應(yīng)用進行轉(zhuǎn)發(fā)、控制和管理，并通過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)進行交互，實現(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POTS，不支持VOIP。中國電信通過這兩類家庭網(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EMS或者ITMS平臺，遠程管理這類家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)安全、業(yè)務(wù)性能、運行環(huán)境和設(shè)備軟硬件版本等內(nèi)容[1]。

圖4 中國電信家庭網(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)主要通過以下各種外部系統(tǒng)或模式進行相應(yīng)業(yè)務(wù)功能的配置及修改。

當前，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)能力集管理的問題

伴隨3G/4G業(yè)務(wù)全面開展、“光進銅退”以及FTTx技術(shù)進入萬千公司、企業(yè)和家庭用戶，我國互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進入寬帶時代[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景，另一方面也給家庭網(wǎng)關(guān)生產(chǎn)廠商的項目、版本管理和運營商的海量運維管理帶來了巨大挑戰(zhàn)[3]。如圖5所示，各運營商也因為各個廠商的家庭網(wǎng)關(guān)的各種不同能力集，需要在ITMS或者EMS平臺上維護各種類型家庭網(wǎng)關(guān)的部署、控制、業(yè)務(wù)管理、維護升級等樹形結(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)的注冊授權(quán)管理是PON的關(guān)鍵技術(shù)之一，過去各運營商一般都通過唯一識別的類型碼來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景多種多樣，必然導(dǎo)致家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備類型也越來越多。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唯一對應(yīng)一個類型碼，因此，通過類型碼管理家庭網(wǎng)關(guān)的管理成本就會提高。而且，不同廠家的家庭網(wǎng)關(guān)的類型碼無法統(tǒng)一，互通性很差。如圖6所示，ITMS對于一個廠家類型碼對應(yīng)的物理屬性和功能屬性，其他廠家無法下發(fā)對應(yīng)的配置參數(shù)，也就無法對該類型碼的家庭網(wǎng)關(guān)進行精確配置管理。

圖6 ITMS管理家庭網(wǎng)關(guān)能力集

寬帶運營商在運維、管理過程中，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)進行“無差別”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)的場景需求，又能夠在硬件成本持續(xù)降低的前提下，對硬件進行必要的冗余處理，使之能夠通過軟件配置方式降低后期項目、版本的維護管理成本。同時，家庭用戶也能夠更加靈活、主動的對家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行比如業(yè)務(wù)定制、業(yè)務(wù)變更等個性化的操作配置，方便自己的個性化需求被快速實現(xiàn)。

為了增強家庭網(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平臺以各種能力集模版來區(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

在計算機領(lǐng)域中，標記語言(Markup Language)指承載計算機所能理解的信息符號，通過XML(Extensible Markup Language，可擴展標記語言)語言，計算機之間可以處理各種信息，比如文章、數(shù)據(jù)等[5]。XML是一種用于標記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標記語言。XML類似于HTML，它用于傳輸和存儲數(shù)據(jù)信息，其焦點是數(shù)據(jù)的內(nèi)容(如圖8所示)。HTML用來顯示數(shù)據(jù)，其焦點是數(shù)據(jù)的外觀呈現(xiàn)效果[5]。

圖8 XML語言

在移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用中，XML元素指的是從開始標簽(且包括)直到結(jié)束標簽(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＞是一個開始標簽，＜/to＞是一個結(jié)束標簽，＜to＞Candy＜/to＞是一個元素。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。開發(fā)人員通過創(chuàng)建一個應(yīng)用程序，就可將＜to＞、＜from＞以及＜body＞元素提取出來，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元素可以存儲數(shù)據(jù)信息的特性，家庭網(wǎng)關(guān)通過XML模版配置層功能，解析網(wǎng)管平臺(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)就可以由運營商或者最終用戶依照需求進行配置，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點燈特性與GPON ONU注冊上線流程匹配。借助XML配置文件，可以配置家庭網(wǎng)關(guān)在GPON ONU注冊上線不同階段的不同LED點燈效果(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)場景為例，在2014年該用戶采用了移動運營商的寬帶接入業(yè)務(wù)，并購買了移動運營商提供的家庭網(wǎng)關(guān)。而到2015年，電信運營商的接入業(yè)務(wù)開展活動，該用戶可以以相同價格，開通語音、IPTV和寬帶接入業(yè)務(wù)。整個寬帶業(yè)務(wù)更換的過程，客戶僅需要按原來方式在網(wǎng)絡(luò)上進行申請，并完成相應(yīng)繳費流程，即可實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)接入需求的變更。這種方式無需更換家庭網(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 兩種方式開通業(yè)務(wù)比較

在用戶變更為其它運營商的場景下，如果采用上述XML模版方式，不但可以節(jié)省運營商或用戶的變更成本，還可以通過能力集XML配置下發(fā)方式，以時間短、風(fēng)險小的方式平滑完成用戶的業(yè)務(wù)變更要求。這類特性，無需采用家庭網(wǎng)關(guān)原來的升級配置方式(即能力集特性被寫入到軟件代碼中固化了，且必須伴隨固件升級一起下發(fā)后才能修改相應(yīng)特性)，而是以XML模版來承載，由運營商或者最終用戶按業(yè)務(wù)需求來訂制下發(fā)。通過網(wǎng)關(guān)平臺來下發(fā)家庭網(wǎng)關(guān)的能力集XML模版的處理方式，增強了運營商運維管理家庭網(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，并給他們帶來了業(yè)務(wù)實現(xiàn)的便利。

5 能力集XML模版適配流程

家庭網(wǎng)關(guān)的能力集配置過程也可以通過上述方式配置下發(fā)，能力集配置數(shù)據(jù)主要經(jīng)過以下三個內(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點燈配置信息，然后對本地LED點燈的能力集接口功能進行配置更新，最后下發(fā)到驅(qū)動層。

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模塊通過多個通道接收XML能力集配置模版數(shù)據(jù)，并進行語法、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，并對數(shù)據(jù)進行校驗。當數(shù)據(jù)校驗正確后，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)動接口，將這些配置信息下發(fā)驅(qū)動，完成實際配置。

6 總結(jié)與展望

國家十二五規(guī)劃中已經(jīng)明確將無線智能家庭產(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。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，當前寬帶應(yīng)用需求越來越多，尤其在視頻和端到端應(yīng)用的興起后，人們對帶寬的需求越來越強烈。

本文基于XML文件格式，提出一種應(yīng)用于家庭網(wǎng)關(guān)的實用性強的能力集模型設(shè)計方案?；谏鲜龇桨福彝ビ脩裟軌蛞愿屿`活、主動的方式，對家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行業(yè)務(wù)定制，方便實現(xiàn)其個性化的需求。同時，運營商能夠快速應(yīng)對家庭用戶多接入業(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)的固件版本升級運維的實際應(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，運營商往往需要配置不同的升級策略，并進行不同的升級時間安排。后續(xù)，可以考慮將軟件功能模塊化，由家庭網(wǎng)關(guān)的廠商負責軟件升級或者內(nèi)置到設(shè)備上。軟件特性是否啟用，則由運營商依據(jù)家庭用戶的實際需求來決定。當用戶提出相應(yīng)需求后，運營商可以通過本文提出的家庭網(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。

參考文獻

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