移动互联网时代的家庭组网

焦 继 尧

(中国电信股份有限公司上海分公司 上海 200041)

0 引 言

随着移动互联网时代的到来，用户主要的上网终端已经从传统的台式计算机、便携式计算机转变成平板型计算机、智能手机，今后还会有更多的终端会有联网的需求[1]。家庭内部的网络需求也随之变化：以前仅仅要求能有线上网且终端数有限，接入地点有限；现在希望所有区域都能通过Wi-Fi无线上网且有联网需求的终端数越来越多，甚至包括家电。这种变化使得家庭内组网的重要性凸显，许多用户在电信宽带业务不断提速后并未有明显感知，有很大一部分原因是用户忽视了到终端的“最后十米”，成为了网络瓶颈。

本文通过对家庭网络的业务需求分析和组网技术分析，归纳出家庭组网的要点，并结合实例，展现家庭组网对网络的优化效果。

1 家庭的网络业务需求分析

1.1 有线网络

有线网络需求主要有：台式计算机、IPTV、AP上联等。

1) 台式计算机是以前有线网络的主要需求；现在仍然有。台式计算机的特点是：数量有限，且位置摆放基本固定。

2) IPTV是电信宽带业务的主要增值产品[2]，需要通过机顶盒接入有线网络。而且现在的新型电视机都是智能电视、互联网电视，本身也有接入有线网络的需求。IPTV的有线网络需求特点是：网口位置最好在电视墙；考虑到业务要求，最好与普通上网业务分开，有独立的网口。

3) AP上联的本质是无线网络需求。无线网络是家庭宽带的延伸，无线网络的质量必须有充足的有线上联资源才能保证。

然而，现在的家庭一般认为网络架设简单，没有考虑实际情况，只是认为有了路由器就可以上网了。实际上，这可能造成网络信号不稳定甚至无覆盖，应用体验差等问题。针对这些问题，必须充分考虑家庭的实际环境，采用合理的架构，并通过正确有效的配置方案，以保证网络的有效、稳定。

1.2 无线网络

无线网络需求与有线网络需求的差别在于终端位置不固定，需要考虑整个家庭的覆盖效果，是“面”而不是“点”的需求。而且无线终端的数量会越来越多，甚至呈级数增长。

无线网络需求主要有：便携式计算机/平板式计算机(PAD)、智能手机、其他智能终端等。

1) 便携式计算机是同时兼有有线和无线网络需求的，而PAD只有无线网络需求。

2) 智能手机指带操作系统的手机，在网络上与PAD无区别。

3) 越来越多的设备具有了网络通信能力，它们更多地采用了无线通信方式。包括：打印机、复印机、扫描仪等办公设备，照相机、MP3 / MP4等电子产品，电视机、冰箱等大家电，电饭煲、豆浆机、配奶机等小家电，摄像头、门禁等安防设备，以及插座等。它们的通信需求大多是窄带的(电视机和MP4有视频传输的需求，MP3有音频传输的需求，照相机及办公设备等有大文件传输的需求)。

这些无线终端以Wi-Fi接入为主，其他无线接入协议使用较少。因此本文重点考虑Wi-Fi的无线覆盖。

1.3 家庭组网需求

结合上述有线和无线的网络需求分析，目前家庭网络需要满足：

1) 每个隔断最好都有一个信息点供AP上联或计算机上网；其中，AP设备主要是固定的，也可以选择即插即用的方式，将AP设备临时部署在附近。

2) 每个准备放电视机的位置的墙上最好都有一个信息点供IPTV使用。

3) 最好在任何一个地方都能接入Wi-Fi，特别是主要的上网点，还需要有足够的吞吐量。

上述要求比实际业务需求略高，但考虑到网络技术的迅猛发展，多部署一些网络资源可保证一定的灵活性和可扩充性，对实际的使用绝对是有益的。

2 家庭内的组网技术分析[3]

2.1 有线网络[4]

2.1.1 光 纤

光宽带的时代早已到来，但目前终端还是以电接口为主。因此光纤一般只用于家庭宽带的接入，部署在入户端，家庭内部还是以铜线接入为主。

2.1.2 网 线(双绞铜线)

网线从广义上来说，是指用于网络连接的物理连线，包括所有的有线线缆。这里的网线指狭义的网线，即双绞铜线。一般我们使用UTP的网线，接头采用RJ45。

网线是家庭组网中最经济实用的有线电缆，在家庭装修时应布放充足、到位。“充足”指每个隔断最好都部署两路网线；“到位”指电视墙上必须要有一路网线，另一路网线最好部署在隔断中相对的其他墙上。

网线要呈星型拓扑，即所有网线都需要汇聚到一个点——线缆汇聚点。线缆汇聚点一般在家庭正门附近，方便入户线与家庭网络对接。在线缆汇聚点一般安装有家庭信息箱(或称弱电箱)，但随着家用网络设备的增多，家庭信息箱的容量会成为瓶颈。建议在家庭信息箱前可放置家具起到机架的作用：多层隔板，方便放置设备和电源等；靠墙的一面是空的，方便线缆布放；前面可以有遮挡物，但必须不能是金属的，以免无线信号被屏蔽。

如果家庭空间较大，比如：别墅，可以考虑多级的星型组网，每个区域有自己的分汇聚点，分汇聚点再汇聚到总汇聚点。

目前的组网应考虑全千兆，采用超五类线或者六类线，保证实际吞吐量达到1 Gbit/s。

不要复用网线(这也是一直强调网线资源要充足的原因。网线不足，要么有些设备不能部署，要么网络质量受影响)。

最好都安装RJ45接口，不要靠铜线直接缠绕对接，避免接触不良。

2.1.3 有线电视电缆(同轴电缆)

有线电视电缆(同轴电缆)也是家庭必备的有线电缆。可以利用EOC(Ethernet Over Coax)技术在同轴电缆上传输宽带数据。同轴电缆的资源不多，但正好与IPTV需求匹配。目前主流的EOC技术有G.hn和MoCA(Multimedia over Coax Alliance)。

G.hn是涵盖电力线(Power line)、电话线(Phone Line)、同轴电缆(Coax)三种家庭有线的统一通信技术，采用相同的MAC技术，保证产品互通和兼容性。工作在0～100 MHz频段(目前最新标准能扩充到200 MHz)，提供超过1 Gbit/s物理速率[5]。

MoCA使用800～1 500 MHz以上的高频，能避开有线电视信号。MoCA 2.0能达到1 Gbit/s的传输速率(最新的MoCA 2.5能达到2.5 Gbit/s)。目前两种技术的商用设备的实际吞吐量都能达到400 Mbit/s以上。

EOC设备需主设备和从设备配套使用，分别进行数据信号在同轴电缆上的调制和解调。目前能做到主从设备通用，且一主能带多从。

EOC技术的最大优点是有屏蔽层，抗干扰能力较强；缺点是主要传输频段被广电系统占用。如果用户不使用广电业务，则可充分利用家庭内部的同轴电缆资源传输宽带数据。

2.1.4 电力线

电力线是家庭部署最多的有线资源，而且可以方便地通过拖线板进行扩充。可以利用PLC(Power Line Communication)技术在电力线上传输宽带数据[6]。

目前主流的PLC技术有G.hn和HomePlug AV。

G.hn的技术介绍见2.1.3节；最新的HomePlug AV2能达到1.5 Gbit/s，实际吞吐量超过250 Mbit/s。

PLC设备需主设备和从设备配套使用，分别进行数据信号在电力线上的调制和解调。目前能做到主从设备通用，且一主能带多从。

PLC技术的最大优点是电力线资源丰富，可以带着从设备随处即插即用；缺点是整个电力线系统上的电器都会对其形成干扰，特别是一些大功率的电器(比如：微波炉、电吹风、吸尘器等)，一些抗浪涌的接线板也会影响PLC信号的传输。

2.1.5 电话线

电话线的数量有限，能传输的频段较窄，目前用其承载宽带的场景较少。

主要的传输技术有DSL和G.hn。

2.2 无线网络[7]

家庭的无线需求主要是Wi-Fi接入需求，已被戏称为最新的“马斯洛需求”。

Wi-Fi技术遵循802.11系列标准，从最初的802.11(2 Mbit/s)到802.11b(11 Mbit/s)、802.11a/g(54 Mbit/s)、802.11n，直到最新的802.11ac，还在不断地发展过程中。

Wi-Fi技术主要工作在2.4 GHz频段(802.11b/g/n)和5 GHz频段(802.11a/n/ac)。起初，主要在2.4 GHz频段上发展，“穿墙”性能好，覆盖范围大，但当设备增加时，各信号源间也更容易相互干扰。之后的“高带宽”技术又转移到5 GHz频段上，有更大的频宽，且信号衰减快，更容易区隔各信号源[8]。两者对比见表1。

表1 Wi-Fi技术2.4 GHz和5 GHz的对比表

注：仅针对802.11n/ac

2.3 家庭组网要点

结合上述家庭内组网技术的分析和之前的家庭网络需求分析，归纳出如下移动互联网时代的家庭组网要点：

1) 家庭组网的重点在于Wi-Fi网络的规划，但基础在于有线资源的部署。

2) 家庭内部网线的部署应该充足到位，有一定的余量。网线资源不足时，可以考虑采用其他资源弥补，依次为：

(1) EOC：特别是IPTV的需求；电视墙前一般较开阔，也可以作为AP上联。

(2) PLC：基本可以满足所有的网络需求，但质量不稳定。

(3) Wi-Fi中继：只有Wi-Fi需求时可考虑Wi-Fi中继，但只能保证最基本的上网需求。

3) AP设备的部署应选择开阔处，要注意信道规划，避开干扰。

3 家庭环境网络架构与配置方案

3.1 家庭网络架构

由于家庭环境差异比较大，有的面积较大，有的相对较小，有的是平层，有的是复式，有的家电网络设备众多，有的联网设备相对较少，情况完全不同。为了兼顾各种不同的情况，本文给出家庭环境构建网络的一般架构如图1所示。

图1 家庭组网架构

从图1中可以看出，对于家庭环境，应该兼顾网络的稳定可靠和应用的灵活性。这样就需要结合有线网络和无线网络，并且在网络进户时应该通过交换机将不同的网络通道分开。同时不同的无线网络路由器直接通过有线网络链接交换机，而不通过中间的无线路由器接力级联。现在很多家庭的网络不稳定有两个重要原因：一是没有采用网络进户交换机，而是只在进户处链接一个路由器，然后将电脑、IPTV、以及无线发射统统都集中在路由器一个设备上；二是由于家庭空间大而采用无线中继器级联造成信号弱、不稳定。

3.2 家庭网络配置方案与原则

针对所给出的家庭环境一般的网络架构，考虑到家庭环境的差异性，在网络进行链接和配置是需要有一些基本的原则必须遵从，从而保证网络的稳定、可靠，这些基本的原则与方案具体如下：

(1) 网络进户接入网络交换机，并且将链接IPTV和台式电脑的网络单独通过交换机的端口通过有线网络链接，而不与无线路由器的链接，即无线路由器只负责无线信号发射，不让IPTV共享器网络带宽。

(2) 对于家庭面积较大、复式的结构或者有多层墙体阻挡的无线网络，出现无线信号明显较弱的情况(无线连接，至少保证三格信号)，应该增加额外的无线路由器，从而保证网络环境畅通。

(3) 对于增加的无线路由器，避免通过无线中继器接收其他无线路由器进行转发的方式实现，而应该让每个无线路由器都直接通过有线网络与进户交换机直连。

(4) 设置无线网络时，信号尽量选择1、6、11通道。这几个通道信号效率相对较高。

(5) 在信号通道选择时，可通过无线设备或者电脑设备对家庭周边的无线信号进行检测。根据周边的无线信号的强弱，来设置无线路由器的通信信道，尽量避开周边强信号发射源所占用的信道，从而避免信号冲突而造成的信号不稳定的情况发生。

(6) 无线路由器旁边尽量放在相对开阔的场所，减少遮挡，特别是金属物之类对信号有屏蔽作用的物体。

4 家庭组网实例分析

4.1 原有家庭网络

4.1.1 房屋情况

用户的住所是连体别墅的三、四层复式房：三层有客厅、餐厅、书房、厨房；四层有三个卧室。图2为地产网上下载的房型图(对照房型图，下文中统一将用户家庭内实际的“底楼”、“二楼”称为“三层”、“四层”)。

图2 用户房型图(标有主要网络设备位置)

4.1.2 网络情况

用户的室内布线情况是：三层布放了两路网线，分别接到客厅和书房。从总信息箱到分信息箱垂直布放了两路网线，分别接到四层主卧和“五层”阁楼(用户自行隔出，在房型图上无显示)。

4.1.3 宽带业务情况

1) 用户宽带已升速到20 Mbit/s。

2) 安装了3路IPTV业务。

3) 为了家庭内部全面覆盖Wi-Fi，自购了两台无线路由器：一台安装在三层总信息箱旁(SSID：TK-Link)；一台安装在四层主卧(双频设备，SSID：TP-Link-2.4G和TP-Link-5G)。

在图2中，标出了信息箱、IPTV、台式机和无线路由器的位置。其中，无线路由器的位置处直接标出了其发布的SSID。

4.2 家庭组网前的网络分析

4.2.1 主要存在的问题

用户反映的主要问题是：Wi-Fi使用效果不佳。经过实地勘察和询问，该用户网络的主要问题有：

1) 网络架构不合理导致资源不均 用户自认为“我家的网线资源很充足的”，在几年前进行弱电装修时未考虑到电信业务的发展如此迅猛，原本每层布放一路网线并在客厅预留了一路网线，转眼就被占用完了。

(1) 三层的两路网线承载两路IPTV。

(2) 五层“阁楼”的网线被闲置：原来的规划是五层作为书房，台式机、无线路由器都在五层。实际入住后，出于舒适的考虑，及Wi-Fi的需求，台式机和无线路由器都搬到了楼下，五层的网线就被闲置了。

(3) 四层主卧同时有IPTV、台式机、无线路由器的接入需求，一路网线根本无法满足。

该用户的网线资源总体上是不足的，次卧、厨卫的网络需求还根本没有考虑，而且已经花了一些心思来减少网线需求(比如：无线路由器装在总信息箱旁，可以直接用网线跳线接入安装在总信息箱内的家庭网关上)。

该用户的网线资源还存在相对不足的情况，五层“闲置”的网线很浪费。如果在每层多水平布放一些网线，通过信息箱中的跳接，可以更灵活地利用网线资源。曾经尝试过在暗管内再布放一路网线，但未成功。在装修时未把网线布放好，事后再弥补是很困难的。

2) “复用”网线 为解决主卧的上网问题，用户将网线“复用”：将4对双绞线分成2组，每组2对线接RJ45水晶头，分别承载IPTV和上网业务(网线接无线路由器的WAN口，台式机接入无线路由器的LAN口来解决上网问题)。结果自然是两者相互有明显的干扰，只能同时使用一种业务。

网线的护套被破开后，4对双绞线的结构被破坏，其抗干扰能力和网络传输性能都会受到影响(这里指的是双绞线本身的传输性能，而不是指8芯线支持千兆但4芯线只支持百兆)。“复用”成1路网线和2路电话线，干扰还比较小；“复用”成2路网线，干扰最严重。该问题的根源还是有线资源不足。

3) 网线接触不良 总信息箱内的网线都做了RJ45接口，接触良好。但是分信息箱内的网线接续用的是铜线直接缠绕的方式，且未被绝缘胶布完全包裹，存在隐患。

特别是主卧因为“复用”了网线，而墙上只有一个网线面板，因此只能拆除面板，接跳线头接入设备。尽管线路接续处用绝缘胶布包裹，但突出在墙体外，用户感觉“很脆弱”。在调测过程中也确实因为触碰导致接触不良，网络中断。

4) Wi-Fi设备利用不合理 (1) 家庭网关自带的Wi-Fi模块被关闭，因为它布放在总信息箱内，无线信号被铁的前面板完全屏蔽；(2) 三层的无线路由器(SSID：TK-Link)较老，是802.11g设备，关联速率最高只能达到54 Mbit/s；(3) 四层的无线路由器尽管功能强大(TL-WDR7500，支持802.11ac/n，3路空间流)，但上联是“复用”的网线，其性能完全发挥不出来。

5) Wi-Fi信道冲突 经测试，发现有SSID为network的Wi-Fi信号，强度达到-65 dBm，甚至高于用户自有设备的Wi-Fi信号强度，而且与TP-Link-2.4G同时使用11信道。

很可能是隔壁用户开启了无线路由器的“穿墙”功能，严重“污染”了周边的Wi-Fi环境。实际上，“穿墙”的效果有限，因为通信是双向的，接入终端的发射功率不增强，收不到回传信号，通信效果仍然很差。

4.2.2 家庭组网前的Wi-Fi覆盖情况

图3是家庭组网前的Wi-Fi热图，三层的覆盖尚可，但四层完全无法关联网络。

图3 家庭组网前的Wi-Fi热图

4.3 家庭组网方案及效果

针对该用户，可按本文所给出的家庭组网方案进行调整与梳理，按照所给出的几个网络布设原则，逐条进行比对调整。

4.3.1 增加调整网络资源

考虑四层的联网设备多，网络资源不足，因此改用入户交换机处链接单独一根网线供IPTV独用。将原来放置在四层的无线路由器(TL-WDR7500)移到五层，充分利用五层的有线网络资源。考虑到TL-WDR7500信号穿透能力较强，且四、五层间自建的隔板较薄，所以将路由器放置于楼梯间，经测试，信号能较好地覆盖四层和五层的。

对于四层的台式机通过增配外置Wi-Fi网卡或者布网线明线从五层引入直接连接。

4.3.2 调整和重置路由设备

将原来放置的路由器附近的遮挡物移除，并且测试不同楼层的Wi-Fi信号覆盖情况，保证覆盖效果最好。由于SSID为network的Wi-Fi干扰信号工作在信道11，而1、11信道影响较小，因此将TP-Link-2.4G的工作信道设置成1，TK-Link的工作信道设置成6。这样一方面选择效率高的信道，同时也避免与邻居的信道冲突，造成信号不稳定。调整之后测试的结果发现，最终形成一个相对固定、平衡的Wi-Fi环境。

图4是采取了文中所提出的网络布设措施进行调整之后的Wi-Fi热图，可以看到四层的Wi-Fi覆盖效果得到明显改善。

图4 家庭组网后的Wi-Fi热图

5 结 语

移动互联网时代的家庭网络需求集中在Wi-Fi，而其质量的保证在有线网络。

本文针对家庭环境中网络配置的非专业性容易带来资源利用率低，网络信号稳定性差等实际情况，给出了一个家庭网络架设的基本参考架构。同时给出了架设过程中应当注意及常见的问题。最后通过对一个实际案例的剖析，从业务需求、组网技术入手，存在问题、改进措施，进一步展示了应该如何将理论分析的结论运用到具体场景中。结果表明，本文所提出的的架构及架设要点能够较好地实现家庭网络环境搭建，为家庭用户提供参考。

家庭组网覆盖的范围有限，但受到的制约比工程项目更多。即便是相同的房型，装修、家具的不同也会导致“最佳”家庭组网方案有所改变。实际操作中，应把握要点本质，随机应变。

[1] CNNIC．2016年第38次中国互联网络发展状况统计报告[EB/OL]．2017-01-22．http://www.cnnic.net.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/hlwtjbg/201701/P020170123364672657408.pdf.

[2] 张丽．浅谈中国IPTV的发展及电信运营商面临的机遇与挑战[J]．科技信息，2010(28)：230-232．

[3] 糜苏赟．现代家庭局域网组网技术探讨[J]．科技与生活，2012(5)：114-115．

[4] 张轶群．五种家庭宽带接入方式的比较[J]．科技信息，2008(35)：92．

[5] 郑直,胡保民,田明．G.hn技术在同轴接入网中的应用[J]．中国有线电视，2016(4)：487-491．

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