G.hn 标准在物联网中的应用场景

　　0前言

　　 物联网 被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。然而尽管各国政府积极推动，但是真正的大规模商业化应用的普及却遭遇重重阻碍。究其原因，是因为作为 物联网 基础的大量传感器的布设及其信息采集、信息互联意味着巨额的成本及投资，换言之，就是 物联网 的基础设施建设的成本太高。

　　G.hn国际标准将电源线、双绞线和同轴电缆都纳入到家庭网络有线传输媒质中，能够最大程度地利用已布设的各种线缆，在网络覆盖及终端接入层面上为 物联网 的普及提供了现实的实体支撑。本文据此对G.hn标准在 物联网 的几个重要应用领域的应用及其优势进行了分析。

　　1 G.hn 标准简介

　　1.1 G.hn 标准简介G.hn是关于电源线、电话线和同轴电缆的一套协议规范，起初由英特尔发起，此后ITU负责定制，目前则由Home grid Forum推广。G.hn标准于2010年6月获得了ITU的191个成员国的支持，该标准可以把现有的双绞线、同轴电缆以及电源线进行资源整合，实现统一的传输。解决运营商现有楼宇及家庭内网络布线困难，实现基于现有管线资源提供高带宽、多业务的联网技术，其数据传输速率最高可达1 Gbit/s。服务供应商能够利用G.hn即插即用的网络运行模式和更强大的G.hn设备连接能力，显著降低安装和运营成本。目前，一大批公司，包括Atheros、Coppergate、Infineon、In?

　　楼宇内部布放G.hn的设备后，可以把楼宇内原本分离的通过电源线串接的电器网络、通过同轴电缆串接的AV网络以及电脑、数据等通信设备串接的通信网络通过统一的组网方式实现互联。

　　1.2 G.hn 标准及其产品在 物联网 应用中的独特优势

　　G.hn标准及其产品在 物联网 应用中具有独特优势是：该标准可以把现有的双绞线，同轴电缆以及电源线（电力线）进行资源整合，实现统一传输，从而显著降低安装和运营成本。简单地说，就是G.hn标准及其产品可以尽可能地利用现有的已布设的各种常见线缆，大幅减少 物联网 的基础设施建设成本和工期，从而在根本上跨越了 物联网 大规模商业化应用的最大障碍。

　　1.3 G.hn 标准相对于电力猫的区别及优势

　　所谓电力猫其实就是通过电源线进行宽带上网的Modem的俗称。它可将任何一个普通电源插座转换为网络接口，现在市场主流为85和200 Mbit/s 2种数据传输速率，但也存在22和14 Mbit/s等速率的电力猫。

　　虽然电力猫具有灵活方便无需布线等特点，但其兼容性低、抗干扰性差、安全性低等问题也不容忽视。

　　电力系统的基础设施并不具备提供高质量数据传输服务的功能，而且使用电源线来进行通信经常会发生一些不可预知的错误，比如家庭电器产生的电磁波会对通信产生干扰等。尤其是，同一栋楼宇内如果有不同厂家的电力猫共同工作的话，由于相互间没有统一的技术标准，通常会产生强烈的互干扰，造成该栋楼宇内所有的电力猫性能大幅下降。

　　相比之下，首先，G.hn产品的数据传传输速率最高可达1 Gbit/s，远高于现有的电力猫产品；其次，由于G.hn产品的各个厂家均严格遵循了ITU-T G.9960规范的统一标准，不同厂家的G.hn产品有很强的兼容性，相互间的互干扰很低，同时使用不会造成数据包丢失；而且，G.hn产品的安全性也得到了大幅提升。

　　2 G.hn 标准在智能医疗中的应用

　　2.1 必要性及应用场景

　　智能医疗是 物联网 应用的重要领域。目前，一方面，我国正式步入老龄化社会的日期日益临近，需要在家护理（或在院护理）的老人越来越多；另一方面，资深医疗专家和三甲医院是全社会的稀缺资源的状况将长期存在。大力开展智能医疗将有效地缓解上述困境，比如，智能医疗可以支持远程医疗会诊和专家示范，加强对社区全科医生的培训，提升疑难症状处理能力，患者在就近的社区卫生服务中心，即可享受到远程三甲医院医生专家的治疗会诊，还可以由社区卫生机构实现上门服务，免去了行动不便的患者奔波排队之苦，大大提高了三甲医院等优质医疗资源体的使用效率。

　　目前，因为蓝牙本来就是作为典型的个域网接入技术来设计的，且采用无需授权的ISM频谱，十分方便，因此，几乎所有的医疗设备和个人健康护理设备（如蓝牙健康腕带、蓝牙健康手表、蓝牙血压计等）均内置有蓝牙无线接口。显然，只有在每个房间均实现有效的蓝牙无线信号覆盖，才能使这些蓝牙医疗设备和个人健康护理设备真正发挥作用。比如，用户在无蓝牙信号覆盖的房间晕倒或发生意外时，即便他佩戴有蓝牙自动监护设备也无法传输出自动报警信号。在室内实现蓝牙无线泛在覆盖，是普及家庭医疗、家庭自动保健护理的必要条件，有着迫切的社会需求。

　　但是，在工程可行性及成本方面，在医院楼宇和居民家中实现蓝牙无线泛在覆盖面临诸多难点：首先，加装蓝牙室内分布系统（包括以太网线和蓝牙网关）的改造成本过大、工期较长；其次，这些工程将破坏已有装修，而要进行二次装修的话就意味着额外的成本和工期；另外，大部分三甲医院业务繁忙，不允许进行加装以太网线和室内分布系统的改造施工，相当一部分居民也对家庭二次装修十分顾虑，因此，很多情况下在已建成的医院楼宇中实现蓝牙无线泛在覆盖（有效覆盖每个房间）在工程可行性及改造成本方面面临着巨大的挑战。

　　综上所述，要想在医院楼宇和居民家中真正实现蓝牙无线泛在覆盖，必须采用一种低成本、且无需工程改装的新型解决方案。因此，能利用已有线缆的G.hn产品成了唯一的选择。

　　2.2 智能医疗中的G.hn 解决方案

　　G.hn网络国际标准将电源线、双绞线和同轴电缆都纳入到网络有线传输媒质中。对于医院楼宇及居民家庭中的实际使用环境而言，电源线及电源插头遍布每一个房间，电源线无疑是最方便的接入媒质。

　　为了在医院楼宇及居民家庭中实现无线泛在覆盖，本文的解决方案是采用G.hn电源线蓝牙转换器，该G.hn电源线蓝牙转换器通过已有的电源线及其插座，与G.hn网关建立连接，再接入到运营商网络或In?

　　ternet。通过G.hn电源线蓝牙转换器，与运营商网络或本期关注Monthly Focus徐赤璘，王楠G.hn 标准在 物联网 中的应用场景及其优势分析2邮电设计技术/2012/06Phone lineWi-Fi port USB2 100 BaseT （access point） WM2 port （master power） WM1 port （master coax）DSL/PONport （access network）Master （phone）NodeCoaxG.hn网关运营商接入网智能医疗业务平台Ethemet switchNodeNodeNodeBridgeWireless clients10c0liBenastseTPower lineNode电力线蓝牙转换器蓝牙终端设备USB clientsAnloidene Anloidene AnloideneInternet网络上的业务平台（如健康监控业务平台）的连接如图1所示。

　　如图1所示，基于G.hn国际标准的电源线蓝牙转换器，可插在任何家用电源插座之上，将接收到的各种蓝牙设备（如蓝牙健康腕带、蓝牙健康手表、蓝牙血压计等）所发出的蓝牙信号转换成可通过电源线进行传输的G.hn数据包，传输到G.hn家庭网关的WM2端口，再通过G.hn家庭网关的DSL/PON端口接入到运营商网络或Internet。当然，G.hn电源线蓝牙转换器及G.hn家庭网关不仅可用于家庭，凡是适合安装G.hn网关的场所，如医院、疗养院，甚至有电源插座的室外庭院均可使用。

　　除了电源线，G.hn标准也支持电话线、同轴电缆和100BaseT以太网线。为了充分利用现有楼宇中已经布设的电话线、同轴电缆和100BaseT以太网线，也可以研发相应缆线的蓝牙转换器，比如，以100BaseT以太网线接入的蓝牙转换器可以采用PoE供电支持，并安装在100BaseT以太网口上；以电话线接入的蓝牙转换器可以采用电话线直流供电支持，并安装在电话线插座上；以同轴电缆接入的蓝牙转换器可以采用锂电池供电，并安装在同轴电缆插座上。这样，在医院楼宇及居民家庭中，蓝牙覆盖就几乎不会有覆盖盲区了。

　　综上所述，G.hn与蓝牙技术的结合可以在医院及居民家中低成本、短时间地实现蓝牙泛在覆盖，支持各种蓝牙医疗终端，从而能在科技层面上为智能医疗提供强有力的技术支撑。

　　3 G.hn 标准在智能家庭中的应用

　　3.1 必要性及应用场景

　　G.hn国际标准将电源线、双绞线和同轴电缆都纳入到家庭网络有线传输媒质中。对于家庭实际使用环境，电源插头遍布每一个房间，因此电源线是最方便的接入媒质。另外，G.hn也支持通过电话线、电力线和有线电缆的任意组合而实现联网。这样，就可以非常方便地、低成本完成智能家庭中的网络基础设施建设。

　　家庭内部布放G.hn的设备后，可以把家中原本分离的通过电源线串接的电器网络，通过同轴电缆串接的AV网络以及电脑、数据等通信设备串接的通信网络通过统一的组网方式实现互联，当然，各种家用电器也可以非常方便地连接到G.hn网络中，且无需额外的连线。

　　G.hn网关在组网时通常是按照主从模式，主节点一般是G.hn网关节点，网络侧负责与电信网络相连，用户侧面向家庭网络内各终端的接入，从节点是由支持G.hn的设备完成各种管线资源的适配与调制。一般在从节点侧划分不同的区域，如以电源线传输为主的家电控制网络，以DVD、TV摄像头为主的家庭AV网络以及家庭数据通信网络，各个子网间通过G.hnbridge的方式来互联。

　　因此，基于G.hn的室内网络的互联，除了实现原有包括PC、固话等终端的联网，提供传统的语音、上网外，还可以实现家庭内部的各种家电的智能联网，实现基于AV网络的所有视频、音响终端的互动等功能。

　　G.hn有望成为家庭网关、消费电子设备、个人电脑和与互联网连接的智能家庭设备中不可或缺的功能。

　　3.2 G.hn 相对于Wi-Fi的优势

　　有观点认为，实现家庭无线上网，有Wi-Fi网络和终端就可以了。然而，Wi-Fi网络也存在明显的局限性，与Wi-Fi网络相比，G.hn技术有下列优势。

　　首先，Wi-Fi无线信号由于其频率较高，穿透损耗十分明显，不安装室内分布系统的话，1个Wi-Fi访问点（AP）很难有效覆盖多个房间（需穿透多堵墙壁），而安装室内分布系统或布放多个Wi-Fi AP的话，成本又太高，且还会带来占地和破坏原有装修的问题。相反，G.hn网络就不存在这个问题，即便是3层的别墅，安装1台G.hn网关，即可有效覆盖所有有电源插座的房间和走廊。

　　其次，Wi-Fi采用的是无线信号，易遭外界无线信号的干扰，甚至微波炉等家电也会干扰Wi-Fi无线信号，相比之下，采用有线连接的G.hn网络的性能显然要更稳定一些。

　　其三，Wi-Fi采用的是无线信号，易遭截取或盗用，相比之下，采用有线连接的G.hn网络容易做到物理隔绝，数据安全性显然要更高一些。

　　最后，相当多的用户对无线信号的辐射十分敏感，某些场合也禁止采用Wi-Fi信号，这些情形下，完全可以采用G.hn技术来取代Wi-Fi网络。

　　4 G.hn 标准在智能农业中的应用

　　4.1 智能农业简

　　智能农业的目标是实现设施农业智能化、自动化和现代化。智能农业以设施农业为基础，在设施农业之上结合泛在网络和通信网络，在计算机侧或移动终端侧实现远程查看、远程控制、智能联动等功能。发展智能农业应该是一种与时俱进的观念，是转变和促进我国农业科技的进步手段之一。在我国大力发展智能农业预期的效益有以下几方面。

　　a）提高农业的整体产出和效益。

　　b）有效整合和管理各个农业子系统。

　　c）促进我国农业科技水平的整体提升，解放劳动力，带动农民致富。

　　d）降低重复性科研投入。

　　实际上，发展智能农业是将农业视为一个可控的整体来看待，是解决农业大系统的问题。既包括广义上的农业信息处理、农业专家智能决策系统，又包括自动控制系统、智能控制算法、机电一体化设备、检测技术与传感器网络、 物联网 络等等。

　　尤其值得注意的是，当前，在农业子系统中恰当引入传感网和 物联网 技术是智能农业的一个显著标志。

　　目前农业工程中多种应用于大田数据采集的传感器，无论是有线的还是无线的，均要通过底层的传感网进行数据交换。因此各种现代化、智能化的农业机具和作业设备也势必要借助于 物联网 来融合，达到共享。

　　图2是基于广义智能化在大系统控制论基础上，构建的多级递阶智能农业体系模型。在这个系统中，分别对农业系统的产前、产中和产后的各个子系统构建各自的农业子系统，并设计成微观级别。而各个子系统均受各自的局部控制器调控，同时应用多目标优化等智能手段做系统自适应寻优。这些局部智能控制器，可以是大田节水灌溉系统智能控制器、农作物温室环境智能控制器、施肥及病虫害处理智能控制器、传感器网络智能控制器和网上农业智能控制器等。由于农业子系统的分散性和边界的模糊性，分别设定各自的控制参数进行闭环智能调控。同时，处于该系统宏观级的协调器通过观测递阶和递阶信息流，借助于Internet用智能决策全局优化约束各个局部控制器，以达到整体系统的智能化和高效化。显然，要达到智能化目的，人工智能、运筹学、先进的自动控制技术、检测技术等都要综合运用到系统的各个环节中［4］。

　　4.2 必要性及应用场景作为 物联网 基础的大量传感器的布设及其信息采集、信息互联意味着巨额的成本及投资，换言之，就是 物联网 的基础设施建设的成本太高。考虑到农业利润率相对较低，农民收入也相对较低，因此，在智能农业的实际普及、应用中，能否真正普及并取得效果不仅仅取决于农民的自身学识和掌握程度。还要能否真正降低农民的劳动投入和参与强度，并大幅节约前期投入的成本。以免广大农民望而却步，那样的话，智能农业根本就无从开展了。

　　在降低智能农业前期投入成本方面，G.hn标准及其产品在 物联网 应用中具有独特的优势。该标准可以把现有的双绞线、同轴电缆以及电源线（电力线）进行资源整合，实现统一的传输，从而显著降低安装和运营成本。简单地说，就是G.hn标准及其产品可以尽可能地利用现有的已布设的各种常见线缆，大幅减少 物联网 的基础设施建设成本和工期，从而在根本上跨越了 物联网 大规模商业化应用的最大障碍。

　　对于畜禽养殖业，由于是舍饲饲养的室内环境，起码是都有电灯的，其应用场景类似于智能家庭网络，可充分利用已有的电源线。另外，温度、湿度等传感器本身也要用电，电源线是不可或缺的。使用G.hn标准可以免去布设网络的费用，使用现有的电力线即可。而对于大棚养殖业，绝大多数也都有电灯的，其情况与畜禽养殖业也类似。

　　对于室外大田农业，一方面，如果传感器采用有线连接的话，由于电力线的成本与其他线缆（如以太网线）相比，仍然是最低的，且绝大多数情况下，野外田野与电力节点的距离最近。所以，传感器采用有线连接的话，电力线是最便宜的。另一方面，如果传感器采用无线连接的话，传感器需要加设无线收发模块（如GSM、GPRS、3G无线收发模块及SIM卡或Wi-Fi、蓝牙无线模块），不仅增加了传感器的成本，且GSM、GPRS、3G的移动网络运营商还要对这些模块的信息收发进行收费，多出了一块使用费（月租费）；而属于局域网的Wi-Fi、蓝牙的无线信号覆盖面积很小，还需要解决信号的回传问题，费用也不会低。所以，对于室外大田农业，基于G.hn的电力线传感器方案从成本上看应该是最便宜的解决方案（实际上也不会影响传感器的性能），非常有利于智能农业的实际普及和应用。

　　图2 广义智能农业多级递阶体系模型

　　5 G.hn 标准在智能电网中的应用

　　5.1 智能电网简介

　　智能电网是 物联网 应用的重要领域。近年来，智能电网在全球范围内受到高度的关注，美国、欧洲等国家先后把智能电网建设上升到国家战略高度，成为国家重点投资领域。我国也早在2009年提出了建设统一坚强智能电网的战略规划，目标建成具有信息化、自动化、互动化的坚强智能电网。在技术上，智能电网通过高级量测体系（AMI）、高级配电运行（ADO）、高级输电运行（ATO）和高级资产管理（AAM）之间的密切配合实现智能电网的智能目标。

　　智能电网将涉及电网的发电、输电、变电、配电、用电（用户侧）以及调度这六大环节的方方面面，而智能电网延伸到户的最后一段通信服务可以由电力线技术，无线通信技术或其他传统的宽带技术提供。

　　智能电网在家庭边界外的业务主要包括AMI、AMM（Automated Meter Management）和AMR（Automat?

　　ed Meter reading）。在家庭内部，智能电网可提供电动汽车及其充电站之间、智能家电（如热水器、空调、洗衣机、烘干机等）之间的通信，实现对家用电器的细粒度控制，提供对电力设施的远程管理能力，显示用电信息以及为用户提供电价等更多的信息，以帮助他们更加节电［5］。

　　5.2 G.hn 在智能电网的应用

　　如图3所示，G.hn中的G.9960［１］在智能电网的应用将主要包括AMI、智能电网家庭应用以及电动汽车的应用。

　　5.2.1 基于G.hn中G.9960 的AMI及其应用

　　AMI作为通信的软硬件、辅助系统和数据管理软件，是连接智能电表、气表或水表与公共事业的BO系统的一个网络，它支持预定义的数据搜集、向消费者或其他零售商等团体按需发布信息，并同时给公共事业公司提供相应的用户信息。

　　AMI具有以下特有的实现特性，使得它有别于其他公共事业项目。

　　a）AMI支持几百万个节点，并且直接与每一个客户相连。

　　b）AMI必须是一个双向通信系统。

　　c）AMI必须是一个高度安全的通信系统，能将电表的数据安全地传送到公共事业公司。

　　除了提供数据的传送功能，AMI还提供业务管理（断开连接/重连接），监视电表不被篡改，还可将用于能量管理的费率和其他信息传送给用户等。当有家庭局域网（HAN）存在时，可安装ESI（Energy System Inter?face）来桥接HAN和AMI网络。一个典型的AMI应用如图3所示，其中的ESI是一个与电表分离的独立设备。

　　G.9960的AMI网络架构与G.9960的网络架构是一致的，一个AMI网络可以包括一个或多个AMI域，每个域还可包含最多250个基于G.9960的AMI节点，这些节点可能代表电表、子电表或ESI设备。在大型的Utility区域，成百上千的电表被部署在一个AMI网络中，G.hn中的G.9960技术通过使用多个AMI域来支撑这类应用［5］。

　　5.2.2 智能电网的家庭应用

　　这部分内容将主要针对基于G.9960的智能电网在家庭内部的应用。在这部分中，通常称用于HAN的G.9960兼容的智能电网设备为G.9960智能电网HAN节点（SGH），称Utility 接入网络中运行的其他设备（G.9960 兼容或不兼容的）为智能电网接入设备（SGA）。

　　SGH节点可根据标准的G.9960架构以多种介质和多域的形式连入G.9960网络。不同域之间的SGH节点的互联可通过相应的IDB桥接。图3中的HAN（包含A和B 2个域，SGH节点和常规的non-SG节点）通过ESI与电力公司的SG接入网相连，通过SGH设备和家庭域外的SGA 设备实现端到端的智能电网应用。HAN可通过任何通用的宽带接入网络连接宽带业务提供商，这些宽带接入网络可以是电力线通信网络、有线网络（如DSL）、无线网络或其他的接入技术。

　　如果SG应用是通过电力线提供的，SGA设备将通过通本期关注Monthly Focus徐赤璘，王楠G.hn 标准在 物联网 中的应用场景及其优势分析6邮电设计技术/2012/06作者简介：

　　徐赤璘，毕业于南京邮电学院，上海贝尔股份有限公司客户交付部技术支持中心副总裁，高级工程师，主要从事技术支持、产品研发、产品管理、方案管理等工作；王楠，毕业于中科院计算所，博士，主要研究方向为无线环境下的视频传输技术。

　　用的共存机制与HAN设备共存在同一电力线上，并通过ESI与HAN设备进行通信。

　　G.9960节点可嵌入SGH设备中，典型的例子包括用户家里的需要外部控制的电器，或可通过其他设备控制其电能使用的设备等，如家内的智能子电表、ESI设备和SG接入网络的网关设备、家内显示器（IHD）和温度调节装置、加热和空调设备，以及洗衣机、烘干机和洗碗机等家电。这些SGH设备可支持各种与数据处理和交换相关的智能电网应用［5］。

　　5.2.3 G.9960 在电动汽车中的应用

　　众所周知，电网中的电如果不能实时用完，剩余的电将被浪费掉。如果在电网的用电低峰给电动汽车充电，可以在用电低峰时对电网起到调峰的作用，又不影响用电高峰时对电力的需求，这样可以使低峰部分的剩余电量能得以充分利用，可提高电网的经济效益，同时达到节能减排的目的。因此，美国、法国、德国、日本、韩国等发达国家的电力公司积极与电动汽车厂商和动力源厂商合作进行电动汽车及其配套设施（主要为充电站）的研发。近年来，国内众多城市如上海、天津、杭州、南京等，也相继开展电动汽车充电站的建设工作（由于国外的独立居所较多，文章中提到的智能电网电动汽车的应用主要是指在家庭中的应用）。

　　G.hn中的G.9960节点可以支持与插入式电动汽车相关的应用，包括安装到电动汽车供电设备（EVSE）中的节点以及插入式电动汽车中的节点。EVSE和电动汽车中的节点统称为电动汽车充电设施（EVCF）。

　　注意，电动汽车和EVSE节点之间的典型距离是10 m。

　　对于住宅的车库，EVSE可能需要通过J-1772线缆同时与2辆或更多的车辆进行通信。对于在公共停车场，典型的EVSE需要和4辆电动汽车通信。

　　嵌入到电动汽车和EVSE中的G.9960节点可执行如下常规功能。

　　a）在不超过5 s的时间内，建立起EVSE和电动汽车之间的连接（注：建立连接的过程至少要包括EVSE节点的注册和鉴权，通过用EVSE代理对电动汽车的注册和鉴权，以及从业务提供商处接收充电行为的授权等）。

　　b）可操作在该种模式下：即将EVSE作为被连接的电动汽车节点代理，所有电动汽车节点和外界的通信都必须通过EVSE节点进行。

　　EVSE和电动汽车节点之间交换的数据有3种类型：再充电/放电管理、对电动汽车的维护保养以及多媒体数据。第一种类型仅需要非常低的吞吐量，而后3种类型则需要相对较高的数据吞吐量（尤其是下行流量）。电动汽车节点的发送速率不超过5 Mbit/s，接收速率不超过20 Mbit/s。EVSE 节点可基于标准的G.9960网络架构与HAN和ESI相连（见图3），通常是用电力线作为通信介质，当然对于G.hn，所有的户内有线通信介质都可以作为通信介质［5］。

　　图3 基于G.hn的典型智能电网应用（包括AMI、G.9960宽带及电动汽车应用）

　　参考文献：

　　［1］ ITU-T G.9960 Unified high-speed wire-line based home networkingtransceivers - Foundation［S/OL］.［2012-01-15］. http://news.boxuesky.com/archiver/tid-149732.html.

　　［2］ ITU-T G.9970 Generic home network transport architecture［S/OL］.

　　［2012-01-15］. http://wenku.baidu.com/view/7008531aa8114431b90dd800.html.

　　［3］ V. Oksman，S. Galli. G.hn: The New ITU-T Home Networking Standard［J］. IEEECommun.Mag.，2009，47（10）：138-45.

　　［4］ 陈一飞. 智能农业：“十二五”期间我国农业科技进步前瞻［J］. 中国农业科技导报，2010（6）.

　　［5］ 佟德利，李巍，汪坤，等. ITU-T G.hn收发器在智能电网中的应用研究［J］. 电力系统通信，2010（12）.