基于MoCA标准的家庭网络研究.pdf

- 1 - 基于基于 MoCA 标准的家庭网络研究标准的家庭网络研究 摘摘 要：要：本文描述了一种基于 MoCA 标准的家庭网络，并对该网络及设备进行了基本性能 的测试本文首先介绍了家庭网络的发展现状，对目前的各种家庭网络标准进行了比较，在 此基础上详细描述了基于 MoCA 标准的家庭网络，并对该网络的设计、实现、网络性能进 行了详述 然后对该网络进行了测试并得出了相关的测试结论 最后指出该网络的不足及改 进之处 关键词：关键词：家庭网络，HomePNA，Home Plug，MoCA 1. 引言引言 家庭网络也称数字家庭，位于接入网的后端，是直接为最终用户提供服务的网络它是 指在家庭范围内将个人计算机、家电、安全和照明系统等相互连接，组成一个家庭内部的网 络， 并与广域网相连接， 在家庭内部以及家庭与公网之间提供多种服务的一种新的组网和应 用技术1家庭网络的发展大致可分为三个阶段：第一是家庭网络共享；第二是多媒体和 娱乐资源在家庭范围内的共享；第三是家庭电子设备自动化控制的共享2目前国际与国 内市场基本上处在第一阶段到第二阶段转换的时期， 即带宽的共享在城市家庭中基本成为显 示，娱乐资源的共享正逐步被市场接受。

图 1 家庭网络在 Internet 中的位置 目前家庭网络化连线所采用的解决方案包括： 采用双绞线的以太网络； 采用一般线 作传输媒介的 HomePNA； 采用电力线的 HomePlug； Wi-Fi 无线网络； 采用同轴线的 MoCA 下面分别介绍 2. 家庭网络的组网方式家庭网络的组网方式 2.1 Ehternet 组网组网 本课题得到国家自然科学基金（项目编号 60573125）的资助 - 2 - 全球局域网所采用的技术，除 IBM 提出的 Token Ring 略占一二成之外，就属以太网拥 有近九成的占有率3以太网泛指一切使用 CSMA/CD 协议的局域网，它操作简单，技术 成熟，容易实现，在家庭中组建以太网，需要每台电脑上安装网卡，然后通过交换机或集线 器将几台电脑相连即可连线使用 RJ45 双绞线，传输速率为 100Mbps 家庭网络使用以太网技术的主要问题在于网络需要重新布线， 而且所连设备需有网络适 配器，对于电视、等设备则需要再添加转接设备连入网络 2.2 HomePNA HomePNA 全称 Home PhoneLine Networking Alliance家庭网络联盟， 于 1998 年 由众多厂商组成，包括 Intel、AMD、IBM、HP 等 130 家知名通讯及芯片厂商，制定了 宽频网络 HomePNA 标准。

HomePNA 采用线作为传输介质传统的话音信号使用 20Hz-3.4KHz 频段，ADSL 利用 25KHz-1.1MHz 频段，HomePNA 则使用 5.5MHz-9.5MHz 频段，相互间并无干扰目 前有四个版本，传输速率从第一个版本的 1Mbps 升至目前的 320Mbps其组网图如下： 图 2 HomePNA 组网方式 HomePNA 无需重新布线，设备安装简便，只需要在接入网后端加入 HomePNA 交换设 备但同时其缺点也很明显，与 Ethernet 组网相比技术不够成熟，提供的传输速率越高其设 备价格也越高 2.3 HomePlug HomePlug 是采用电源线作为传输介质，实现数据、语音、图象等综合业务传输的家庭 网络方案4网络系统结构如图 3 所示： - 3 - 图 3 HomePlug 家庭网络系统结构 系统的网络数据通过与家电设备相连的电力线传送，通过 HomePlug 协议实现交换，采 用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）正交频分复用技术进行调制，从而 实现家庭网络的组网与控制等功能。

HomePlug 利用已有的电力线网络，无需重新布线，可提供理论值 14Mbps，实际约 5-8Mbps 的传输速率，但电力线传输噪声较大，安全性较差，产生的辐射不易解决，且目前 价格教为昂贵，在家庭网络市场并不占据优势5 2.4 Wi-Fi 无线网络无线网络 无线网络有多个标准，常用的有 802.11x 和 ZigBee802.11b/g 在带宽方面已经接近或 超过普遍采用的以太网接入，且互联网常见应用均可运行，因此在园区网中被普遍采用 ZigBee 是 IEEE 802.15 标准工作组专门为低速率应用而设计的一种无线组网技术， 传输速率 20-250Kbps，室内有效距离 10m6 使用无线网络在家庭中组网，不需重新布线，接入设备不受空间限制，可支持传输速率 最高达 54Mbps但无线网络同时易受干扰，存在较大的安全隐患，且设备价格较高，以上 都是无线网络推广过程中需要解决的问题 2.5 基于基于 MoCA 的同轴网络的同轴网络 MoCA 全称 Multimedia over Coax Alliance， 即同轴电缆多媒体联盟， 提供基于同轴电缆 的宽带接入和家庭网络产品方案。

MoCA 标准采用同轴线 800MHz-1500MHz 频段，每一频 道带宽约为 50MHz，双向数据速率 270Mbps，传输距离 300m-600m MoCA 标准的家庭网络利用原有的有线电视网络，组网不需重新布线，传输速率较高， 但 800MHz 以上的高频信号在同轴线的传输情况并不明朗，信号衰减难以控制目前全世 界参与 MoCA 标准的厂商较少，但其巨大的传输速率的潜力仍为人们看好 综合比较上述家庭网络的组网方式， 我们发现每种网络都优缺点并存， 且因其优点在某 一范围内使用，同时因其缺点而无法推广，这也是接入网络及家庭网络发展的现状，每种组 网方式都有其特定的生存空间，但都无法完全占领市场以太网技术成熟，传输速率高，但 与一切有线网络一样，设备无法移动，导致网络的灵活性不好无线网络在解决这一问题的 同时，又暴露出安全性的不足以及价格上的劣势 3. MoCA 标准的网络结构标准的网络结构 MoCA 是利用家庭已有的有线电视同轴电缆提供网络服务，其网络结构如图 4 所示： - 4 - 图 4 MoCA 网络系统结构 基于 MoCA 标准的同轴网络位于接入网后端，主要包括 NC（Network Coordinator）头 端设备和 CPE（Customer Premises Equipment）用户终端设备，以及中间的 Cable 线和无源 器件。

NC 与 CPE 之间构成一个点对多点的广播式网络NC 头端设备实现从网络数据到同 轴数据的转换，其核心芯片使用 Entropic 的 c.link 技术，CPE 终端设备相当于一个解调器， 将同轴数据转为网络数据 CPE 设备提供网络接口，后面可以直接连接 PC，也可以通过机 顶盒（STB）连接电视，提供 IPTV 业务 MoCA 标准利用同轴线的 800MHz1.5GHz 频段，我们可以使用多载波的方式传输数 据，每路信号使用 50MHz 的带宽，而高频信号的性能无法保证，因此我们选择 1.0GHz、 1.15GHz、1.325GHz 作为中心频率，利用三个载波频率实现同轴线上的多载波传输其拓扑 图如下： 图 5 多载波传输网络系统结构 与图 4 相比，图 5 使用三个 NC 头端设备，每个 NC 将网络数据调制到不同频段的载波 上，然后通过滤波混合器将信号混合，混合后的信号在同一同轴线上传输，在 CPE 前通过 滤波器将混合信号分离， 从而实现了同轴数据的多载波传输 其优点是充分利用了同轴的带 宽，每个频段可以传输双向 90Mbps 的速率，从而使数据在一根同轴线上的速率达到最高的 理论值 270Mbps。

但在实际的家庭网络中，由于 800MHz 以上的高频信号在同轴线中的衰减幅度不同， 通过无源器件的过程中也有不同程度的衰减，而 CPE 终端的接收灵敏度是一定的，所以要 想充分利用同轴线的 270Mbps 的带宽并不容易，下面在搭建 MoCA 标准网络的基础上对设 备及网络的性能进行测试 - 5 - 4. MoCA 标准的设备及网络性能测试标准的设备及网络性能测试 MoCA 家庭网络用到的主要设备包括头端 NC 设备和终端 CPE 设备，设备的基本性能 要求包括网络数据经过设备的上下行速率和达到同轴线的最大传输速率而不丢包， 或丢包率 在允许范围内；可以通过设置参数使能或禁用组播业务；可以进行上行速率的限速；可以通 过设置 QoS 实现不同业务的优先级 网络性能包括网络线路的衰减对不同频段传输的影响； 整个网络接入饱和状态下的丢包率；单个 CPE 终端设备接入或离开网络时对整个网络的影 响，即容错性 测试的设备包括：Actiontec 公司的 NC，可以通过进入设备的网页修改参数，包括设备 发送信号频率、最大带宽和保证带宽、QoS 等Jetnet 公司的终端设备 L2，可以通过连接 NC 设备，在 NC 端对 L2 设备进行设置。

无源器件包括：Cable 线、混合器、滤波器、分支 器、衰减器 测试仪器包括 IXIA 网络测试仪， 高清电视， 机顶盒 IXIA 网络测试仪上包含两种端口： 千兆口及百兆口 千兆口即可以模拟最大千兆速率的网口， 它同时可以模拟多个物理地址发 送多个数据流百兆口即可以模拟最大百兆速率的网口 测试环境为实验室环境，常温下测试 4.1 测试步骤测试步骤 （1）首先对 NC 设备进行参数设置，基本的设置包括修改发射频率、禁用组播功能， 因为使能组播意味着终端加入组播组要先申请， 为省掉这一步， 使所有终端都能加入组播组， 在测试前先禁掉组播功能 （2）单个 NC 与 CPE 终端相连，测试 1：1 条件下设备的丢包率 （3）如（2）中再测两组，以准备出三套设备，为多载波实验作准备 （4）组成如图 5 的网络，测试数据经过网络的丢包率 （5）容错性测试 （6）通过机顶盒接电视，模拟实际业务进行测试，观看电视画面质量 4.2 测试过程测试过程 4.2.1 设备基本参数设置设备基本参数设置 设备的设置主要是对 NC 头端设备进行设置 使用网线将 NC 与一台 PC 相连， 连接成功后 NC 设备上有网络连接的指示灯显示。

通 过 PC 登录 NC 的方式有两种：通过网页登录和通过 Telnet 登录每个 NC 设备都有默认的 IP 地址，使用内部网络地址：192.168.144.XX，登录前需先在 PC 上添加与 NC 同一网段的 IP 地址（注意要与 NC 的 IP 地址区别开来），以使 PC 可以登录 NC 设备修改 PC 的 IP 地址后，使用 Ping 命令测试 PC 是否可以连通 NC，连通以后便可以通过 PC 以某一方式登 录 NC （1） 通过网页登录：打开 IE 浏览器，在网址一栏输入 NC 的 IP 地址，系统会提示 输入密码，输入密码后进入首页，通过页面提供的选项可以修改 NC 的发射频 率，即 NC 设备传输数据使用的中心频率，此处设为 1.15GHz （2） 通过 Telnet 登录： 点击“开始/运行”， 运行 cmd 命令打开命令提示符， 使用“telnet - 6 - 192.168.144.XX”命令登录到 NC 设备 使用 acch setNext 命令设置 NC 的最大带 宽、保证带宽、组播功能等将组播功能禁用，此时后端的设备不用发送组播 申请即可加入组播组（此处为方便设备性能测试，实际应用中不可以禁用）。

通过以上两步操作完成了 NC 设备的基本设置用同轴线将 NC 与 CPE 相连，连接成 功后 NC 与 CPE 设备。