IEEE 1905.1/G.hn標準互通有譜　智慧家庭混合網路加速推展

智慧家庭聯網技術標準經過多年發展，目前主要有國際電機電子工程師學會(IEEE)與ITU-T兩個陣營在制定相關標準。IEEE制定1905.1家用混合式網路(Home Hybrid Networking)標準，其底層支援包括無線區域網路(Wi-Fi)、乙太網路(Ethernet)、HomePlug或MoCA等無線與有線聯網技術，並具備擴充性；ITU-T則是用電力線(Power Line)、同軸纜線(Coaxial Cable)和電話線(Phone Line)等有線傳輸媒介發展G.hn技術標準，主要目的是利用家庭已有的有線線路，毋須重新裝潢或安裝就可以達到高速通訊，技術特點是特別重視通訊管理與服務品質(QoS)。

以現今趨勢而言，Wi-Fi無線通訊與Ethernet整合式產品早已成為家用聯網的主流標準，ITU-T為讓符合G.hn規格的產品更利於家用聯網市場流通，目前正積極草擬一個新標準--開放式協定抽象層(Open Protocol Abstraction Layer, OPAL)，期盼以軟體定義之概念實作虛擬橋接功能(Software Defined Virtual Bridging)，使家用原本的有線與無線聯網媒介可以整合，具體落實家庭各種異質聯網環境相容與互通情境，預計2014年底會制定完成。

P1905.1兼容現有無線/有線技術

圖1　IEEE P1905.1網路架構圖

IEEE P1905.1(以下簡稱1905.1)架構如圖1所示，其底層結合包含802.11(Wi-Fi)、P1901(電力線標準)、802.3(Ethernet)及MoCA(同軸電纜標準)等無線、有線通訊技術，並在OSI七層架構中的資料鏈結層(Layer 2)與網路層(Layer 3)之間加入一個軟體抽象層(Abstraction Layer)的概念。

由於1905.1不要求修改現有底層的網路技術，因此不會改變目前家庭網路的運作行為和實作方式。採用軟體方式實作抽象層可將不同的網路介面聚集在一起，保留Wi-Fi、電力線、Ethernet以及MoCA四種介面原有的優點，並且提供有線及無線訊號之間的轉發、原有實體層介面頻寬聚合，達到家庭聯網無死角的擴充性。若進一步剖析1905.1軟體抽象層內部，可發現其主要功能可分成管理單元(Management Plane)、資料單元(Data Plane)兩大部分(圖2)。以下將簡要描述管理、資料單元各自的運作原理。

圖2　IEEE P1905.1網路架構圖

1905.1管理單元由軟體抽象層管理實體(Abstraction Layer Management Entity, ALME)與ALME服務存取點(Service Access Point, SAP)所組成，負責向資料單元與底層的實體媒介層提供管理的服務，並依照其他通訊協定或應用程式等High Layer Entity(HLE)的需求，透過ALME SAP介面發出特定的請求/命令，並將相對之結果回報回去。

1905.1的資料單元介於邏輯鏈結控制層(LLC)和媒體存取控制層(MAC)之間，透過不同的服務存取點(SAP)連通各種實體媒介層，各個實體聯網媒介是透過各自的MAC位址達到識別的功能，1905.1資料單元可以在不同MAC位址之間轉發(Forwarding)資訊。

透過上述管理單元、資料單元協同合作，可實現智慧家用混合式網路的基本管理功能如網路拓撲的建置與識別(Topology Discovery)、傳輸路徑選擇(Path Selection)、不同實體網路媒介間轉送的規則與機制(Forwarding Rules)。

以目前布局1905.1技術最積極的高通創銳訊(Qualcomm Atheros)為例，其推出Hy-Fi系列產品即是利用軟體實作1905.1的技術，將Wi-Fi、電力線、Ethernet或MoCA等有線及無線網路技術整合在一起，以改善家用網路的設定、容量、涵蓋範圍及穩定性。為了滿足新世代智慧家庭聯網應用對高頻寬、高速聯網、全面覆蓋、更多內容儲存等多元需求，該公司所發展1905.1混合式網路技術能針對家用網路中所有聯網相容裝置，進行簡易的單鍵(Single Button)自動設定及驗證功能、智慧化的路由選擇及容錯轉移等功能，增加整個家用網路的穩定性，為電信等級網路和消費者服務帶來更高的價值。

G.hn串連同軸電纜/電話線/電力線

G.hn是ITU-T所提出新世代有線的家庭聯網標準，其目的是發展統一的媒體存取控制及實體層的規格，以家中現有的同軸電纜、電話線及電力線為傳輸媒介，實現視訊、音訊及數據三合一(Triple Play)服務的高速應用。

G.hn規格內容相當廣泛，包括實體層標準(G.9960)、資料連結層標準(G.9961)、使用G.hn標準產品與其他非G.hn標準共存互通的協定標準(G.9972)、為避免干擾而利用電源線地線進行傳輸的MIMO標準(G.9963)、管理與診斷協定標準(G.9962)與針對智慧電網(Smart Grid)應用所制定的能量管理規格標準(G.9955)等，該標準目前由家庭網格論壇(HGF)負責推廣。

G.hn實體層標準最高理論傳輸速度可達1Gbit/s，其底層是指定一個單一的物理層基於快速傅立葉轉換(FFT)的正交分頻多工(OFDM)調製和低密度奇偶檢查碼(LDPC)的前向錯誤碼更正(FEC)。OFDM系統中的分割所傳輸的訊號分成多個正交子載波。在G.hn網路中，每一個子載波經調製後，最高可支援到4096-QAM，因正交分頻多工的每一載波彼此正交的特性，故可有效避免相鄰載波間之相互干擾的問題，具備較佳之頻譜使用效率。G.hn又因多載波同時傳送，解決了傳統分時多工系統因時槽切換所造成的損耗(Overhead)現象。

近年來隨著數位內容不斷成長、推陳出新，促使家庭聯網影音終端亦如雨後春筍般不斷推出，以利消費者將各式各樣的數位影音資料透過網路，傳送到不同的終端裝置之中，因此混合式智慧家用聯網環境的建置概念逐漸興起。

然而，像Wi-Fi無線通訊技術先天上會因布建環境而有屏蔽效應或傳輸死角等限制。如大部分歐洲人口稠密區屬於高密度房屋的環境，且房屋本身結構磚牆很厚，因此對於Wi-Fi來說，無線訊號覆蓋率仍面臨不少挑戰。另以德國為例，由於德國地下室相當普遍，加上樓層與樓層之間又有管線分布，因此在考慮布建無線寬頻網路時，就很容易遇上干擾與障礙。故利用G.hn的電力線通訊標準來做為寬頻連線的骨幹網路，在高速聯網浪潮中逐漸找到自己的定位。

圖3　G.hn網路架構圖

G.hn的網路架構圖如圖3所示，G.hn把可以聯網媒介實體裝置視為一個節點(Node)，並將具備相同聯網媒介的節點群視為一個Domain。在一個Domain中會有一個節點成為Domain Master的角色，其角色相當是擔任同一個Domain中節點彼此溝通協調者。在G.hn的網路架構當中，可以含有一至多個Domain，若存在跨Domain(Inter-Domain)的通訊議題時，會從各個Domain Master中選出一個Global Master的角色(邏輯上)，主要用來協同調整資源，例如頻寬的保留、服務流的優先傳送、遠端管理系統的溝通等工作。

此外，G.hn Domain也可以橋接至Wi-Fi、Ethernet等傳統家庭網路，也可橋接至數位用戶迴路(DSL)或被動光纖網路(PON)等接取網路，若非G.hn三種有線的聯網媒介的Domain，G.hn均以Alien Domain稱呼之。

圖4　G.hn通訊協定參考模型

G.hn通訊協定的參考模型如圖4所示，主要包含三個主要的參考點：Application Interface(A-interface)是位於應用實體(Application Entity, AE)和資料鏈結層之間，提供不同的使用者應用協定(如IP或Ethernet)存取，其為G.hn通訊協定與使用者應用協定之間的介面；Physical Medium-independent Interface(PMI)是一個功能的介面，此介面獨立於傳輸媒介與MAC層之間的應用，定義了存取功能、資料流向與邏輯的訊息。

媒體存取層的任務是使用媒體資源傳送與接收資料，將來自LLC的資料單元經由排程後送至實體層，這是傳送方向的處理；或接收實體層的資料上傳至LLC，這是接收方向的處理。而Medium-independent Interface(MDI)是一個實體的介面，其規範傳輸媒介傳送至實體的訊息以及傳輸媒介接收來至實體層的資料。

G.hn為了與使用其他通訊標準的設備之間互通共存，特地制定G.9972的協定標準。該標準規範一個透過網路收發器操作電力線資源分配，來使G.hn設備與其他實現G.9972設備之共存機制，管理在相同電力線之下網路資源的分配和共存；在接取網路的資源理論上，則可以區分成分頻存取(FDM)與分時存取(TDM)兩種模式。

智慧家庭聯網技術各有千秋　 兼容異質聯網媒介為決勝關鍵

現今消費者都希望在家中能隨時隨地享受娛樂和資訊服務。在典型的家庭環境中會有很多終端設備，包括機上盒、智慧電視(Smart TV)、平板電腦、智慧手機、桌上型電腦、筆電和其他連接到家庭網路的設備。展望未來，接入到網路的設備將會有許多智能型家庭應用及自動化產品、安保及監控設備，這突顯了一個事實--沒有任何單一的家庭聯網技術可以滿足服務供應商和消費者對於頻寬及其覆蓋範圍的需求。

舉例來說，Ethernet、Wi-Fi為目前家庭聯網常見的技術，Ethernet有最佳的傳輸可靠度，但受布線的限制，無法在家中隨處上網；Wi-Fi因為無線訊號的特性，擁有最佳的移動性，但易遭外界其他訊號干擾，且高頻訊號穿透耗損嚴重，訊號品質容易受室內裝潢所影響。

另一日漸成熟且蓬勃發展的，便是透過電力線、同軸電纜等有線傳輸技術，其中以電力線通訊最受重視，相較於其他智慧家庭網路媒介，電力線通訊無論是在插座數量、移動性、傳輸可靠度與網路共享等各方面都有較優異的表現。IEEE、ITU-T雙方陣營何以那麼努力地制定家庭聯網標準，其實背後的意義在於哪一個技術陣營的標準能做到兼容家中相對多數的異質聯網環境，對市場接受度將會大幅提高。

從市場面觀察，IEEE 1905.1標準所支援的家庭聯網技術，其中Wi-Fi、Ethernet已經是全球通用的標準、擁有龐大市場，MoCA主要市場在北美、HomePlug則擁有歐洲電力線通訊市場一半以上的市占率，其實力自然不在話下。然而，ITU-T不甘被Wi-Fi、Ethernet瓜分大部分家庭聯網之主流市場，正如火如荼定義一個名為OPAL的標準，企圖讓G.hn設備也能與Ethernet或Wi-Fi裝置實現相容互通。

圖5　OPAL網路架構圖

OPAL的架構如圖5所示，其運作原理大致與IEEE 1905.1提出軟體抽象層的概念類似，即是在OSI 2.5層的位置，建立一個以軟體實作的虛擬橋接(Virtual Bridging)平台，同時對現有支援的各種異質聯網媒介進行整合和優化。

與以往以純硬體解決橋接問題所不同的是，過去強調一個系統單晶片(SoC)服務單一個或少數個通訊媒介(如Ethernet、Wi-Fi、電力線、電話線、同軸纜線等)，只要通訊媒介的需求改變或須擴充，以純硬體解決方案必須重新設計開發；OPAL則是透過軟體實作的方式，將橋接通訊相關參數透過統一(Unified)介面對下層實體媒介進行設置，並允許在一定程度上優化每一個實體通訊媒介，解決智慧家庭網路內不同媒介線路不同通訊協定的特性，且不會犧牲各別聯網媒介模組化、靈活性和成本競爭性。

OPAL標準搭橋　IEEE 1905.1/G.hn打破互通障礙

雖然現階段支援IEEE 1905.1與ITU-T G.hn的網路設備並沒有辦法互通相容，但隨著OPAL標準被提出，以Software Defined Abstraction Layer為基礎來整合智慧家用有線/無線家庭網路，使IEEE、ITU-T兩個陣營所提出的家庭聯網標準可以相容並存的可能性將大大增 加。

以軟體定義網路(Software Defined Network)架構的概念實作OPAL標準，最大好處在於可以整合更多創新、多元智慧家用匯流的雲端服務(Cloud Services)。

舉例來說，對於電信營運商或雲端服務供應商而言，業者可以輕易地將OPAL標準實作於一個家用閘道器(Home Gateway)中，透過家用閘道器OPAL平台將各種家用終端聯網設備進行互聯互通，並提供像個人雲、家庭雲等雲端服務。

講得更白話一點，未來家用的聯網裝置如平板電腦、智慧型手機或智慧電視，都可以只是一個單純的顯示和操作終端，不再須要具備強大的處理能力。家庭成員享受的所有資源、所有應用服務全部都可經由OPAL平台與一個儲存和運算能力超強的雲端後台來提供。

展望未來，應用新世代智慧家用網路聯網技術，再加上整合關鍵的智慧家庭應用、創意的雲端化服務，網路營運商將能營造出讓人們更有感的幸福家庭新經濟。

(本文作者任職於資策會智通所)