整合異質通訊技術　智慧家庭聯網裝置無縫互連

毫無疑問的，「家家戶戶」意味著龐大市場，幾乎所有資通訊大廠十幾年來均積極開拓此市場。

以作業系統供應商微軟(Microsoft)為例，1995年提出「讓PC從書房走入客廳」，並於1997年購併用電視上網的WebTV，2000年則揭露Xbox遊樂器計畫，2002年則進一步提出家庭媒體中心(Media Center)理念等。

無獨有偶，重量級網路營運商--Google也於2010年提出Android@Home的智慧家庭平台服務，甚至在2014年1月以該公司歷來次高收購金額購併Nest Labs公司(32億美元，僅次於購併Motorola Mobility)，在在顯示智慧家庭、資通訊家庭發展的重要性。

然而，家庭市場雖龐大，但根據過去的摸索與試探，諸多因素使智慧家庭的發展緩慢。

技術/商業模式卡關　智慧家庭推展牛步

首先，業界認為企業用的乙太網路(Ethernet)對家庭用戶而言過於複雜，包含要額外布線、裝設交換器及設定參數等，因而在初期提出只用電話線即可構成的家庭網路(HomePNA)；然而，實際上每戶家庭多僅有二到三個電話孔，難以構成實用網路，之後遂改以電源插座來構成網路(HomePlug)，但也受不斷電系統(UPS)的濾除通訊訊號、電力線配置中的雙迴路連通障礙等影響而難以推廣，最後反而以無線區域網路(Wi-Fi)最為普及。

其次則是家庭聯網硬體配套方案不齊全的問題。當初微軟推行WebTV的想法為「上網是種享受，不該正襟危坐在書房用鍵盤上網，而是躺在沙發上用遙控器上網」，但當時映像管(CRT)電視仍為主流，數位平面電視甚少，而CRT顯示器並不適合顯示網頁字體，導致遠距離瀏覽相當痛苦。

更重要的是，智慧家庭的發展屢屢遭遇其他商業夥伴的抗拒，如蘋果(Apple)推出Apple TV時，試圖複製過往iPod加iTunes Store的成功模式，即音訊市場轉成視訊市場，然唱片與電影通路差異大，唱片發行後通路只有零售賣架，電影則有院線、二輪、出租、有線電視等，且iTunes Store的成功使唱片大廠發行收益大失血，只能改以演唱會彌補，鑑於前車之鑑，內容商多抗拒與蘋果合作。

此外，介面工程複雜也是智慧家庭面臨的一大阻礙，2010年Google與索尼(Sony)、羅技 (Logitech)合作推行Google TV，然而其採行鍵盤操作的結果，使銀髮族、菜籃族卻步；再加上過往用於PC(人機距離約3英尺)、手機(人機距離約10英寸)的介面也不適合直接套用到電視(人機距離10英尺)上，因而須大幅翻修介面。

最後則是相關標準訂立牛步，以無線感測網路(WSN)、物聯網(IoT)為主要訴求的無線通訊標準ZigBee，基礎標準到位後，仍待進一步完成各項應用型態(Profile)的標準規範，過往即曾因為智慧照明的應用型態(ZigBee Light Link, ZLL)尚未定義完全，使智慧照明應用的發展較預期慢。

其他因素還包含大廠政策的反覆，如英特爾(Intel)時而投入、時而放淡；或不同技術標準陣營的較勁，如WirelessHD對WiGig、行動高畫質連結(MHL)對MyDP(Mobility DisplayPort)、Wi-Fi Miracast對AirPlay等，且相關技術與標準仍持續發展，統整與追新都要兼顧，都是廠商推進智慧家庭發展須面對的課題。

智慧家庭多元應用漸成形　聯網設備整合度再翻升

雖然有上述問題存在，但在業界不斷摸索嘗試後，關於智慧家庭的應用範疇與網路設備需求已逐漸條理化。

圖1　DLNA示意圖，DLNA讓居家裝置內的數位影音內容，以居家網路為基礎，透過遙控命令的方式進行即時傳遞播放。

在家庭影音娛樂方面，廠商正積極推廣可自網路直接存取影音內容的OTT(Over The Top)視訊機上盒(STB)，或如2003年索尼提出DLNA(Digital Living Network Alliance)標準(圖1)，使數位影音媒體內容透過家庭網路即時分享傳遞播放，或集中儲存在家用網路附加儲存設備(Home NAS)中。

至於居家監控部分，包括監督操控環境、家電、家庭成員等，環境如前述Nest Labs的煙霧偵測、一氧化碳偵測、溫度感測與調整等，另也包含保全防盜，家電亦可進行監督遙控(如Belkin的WeMo)，家中的兒童、老人也可透過視訊方式進行照料看護。

另外，節能減碳解決方案也被業界視為一大潛力應用，各種公用事業資源的使用，如水、電、瓦斯，以及語音通話、數據上網等皆包含在內，透過相關設備的記錄與分析，即可掌握尖離峰用量與特性，並提出節費建議，如過去的Google PowerMeter或資策會的In-Snergy等；此方面亦可與ZigBee的先進抄表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure, AMI)、智慧電網(Smart Grid)接軌，組成家庭智慧能源管理方案。

不過，要實現上述各種智慧家庭的功效及情境應用，最先決要件即是讓裝置能連通，且必須將訊號傳遞、切換等運作化於無形，減少人為介入與影響使用感受的因子，此即「無縫(Seamless)聯網」的概念。若不能達成互通，裝置各自以孤島方式運作，在缺乏完整通透基礎下將難實現智慧家庭。儘管如此，短期內資通訊業者仍難建置全面性的家庭無縫聯網方案，但愈能積極先行局部整合者，將能更快趨近與實現智慧家庭的高階情境應用，同時擁有市場上的獨到優勢。以下將舉例說明無縫聯網技術的整合發展趨勢：

Small Cell結合Wi-Fi AP

過去電信商講究大面積的通訊覆蓋，盡可能用最低建置成本、最少的基地台數達到大覆蓋面積，但今日情境已轉變，隨著智慧型手機普及，行動數據頻寬需求愈來愈大，據研究單位統計，70%以上的行動數據需求發生在市區，市區需要的是品質性覆蓋，須減少覆蓋死角、提升數據傳輸率，此讓電信商轉而傾向布建高速、小面積覆蓋的微型基地台(Small Cell)(泛指Micro、Pico、Femto等)，而非傳統Macro Cell基地台。

雖然Small Cell的數據傳輸成本已較Macro Cell為低，然而與Wi-Fi傳輸方案的成本相比仍偏高，以Senza Fili的研究顯示，相同傳輸率要求下，若以4G為100%成本基準，則3G為43.5%、Wi-Fi僅43%，因此如何善用「Wi-Fi分流(Offload)」來減輕Small Cell的行動數據負荷，即掀起新一波技術整合熱潮。

圖2　智慧家庭的Small Cell與Wi-Fi無縫整合機

為實現Wi-Fi分流機制，Wi-Fi Alliance已在2012年6月訂出標準，即Wi-Fi Passpoint，其基礎標準為IEEE 802.11u與HotSpot 2.0，合乎Wi-Fi Passpoint可實現3G/4G與Wi-Fi間的無縫切換，終端用戶不用再偵測掃描附近的Wi-Fi SSID，更不用手動輸入密碼，可自動登入使用Wi-Fi。未來，Small Cell與Wi-Fi的整合(圖2)將形成雙贏互補，在快速移動時使用Small Cell通訊，在慢速移動或固定時使用傳輸率較高、傳輸成本較低的Wi-Fi，兼顧營運成本與服務水準(Service Level)。

機上盒導入Wi-Fi和藍牙

現在愈來愈多人用桌機、筆電、平板、手機等裝置連上網路，並取得數位影音內容，但這類裝置離電視仍有數公尺距離，除了桌機外其他裝置經常要移動，不適合實體線路連接，且實線也有礙觀瞻，因此去線化(Unwired)遂成為相關業者主要的設計方向。

圖3　機上盒或HDMI Dongle須整合Wi-Fi和藍牙方案，以便簡化智慧家庭的影音播放。

對此，透過機上盒與Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)裝置間的無縫整合(圖3)，行動裝置將能以Wi-Fi傳遞影音內容給機上盒，再透過高畫質多媒體介面(HDMI)連線輸出到電視播放，或者Wi-Fi傳遞的是音樂，亦可由機上盒以藍牙方式傳遞給喇叭發聲。另外還可採行較機上盒輕量的HDMI Dongle(類似Google的Chromecast)，一樣支援Wi-Fi、藍牙等通訊及影音播放傳遞應用。

Home NAS整合Wi-Fi、ZigBee/Z-Wave

圖4　新一代Home NAS可建立居家Wi-Fi視訊監控、ZigBee/Z-Wave動作偵測、煙霧偵測、用電記錄器，一有異常就通知至用戶手機。

Home NAS除了集中儲存、統管、播放數位影音內容外，與Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave等無線通訊技術無縫整合後，則可實現前述的家庭監督與控制功效(圖4)。例如在院子或嬰兒房等處設置Wi-Fi攝影機，錄下的畫面可透過Wi-Fi即時傳遞至Home NAS中儲存，Home NAS也能與路由閘道裝置相連，使家長可隨時觀察、關注居家幼老活動。

此外，ZigBee、Z-Wave等感測器網路亦能實現家庭監測，一旦偵測到門被開啟、煙霧、物體移動等情況，將由Home NAS即時發訊至屋主的智慧型手機上，以便即時因應。更進一步的設計則將Home NAS用於收集各種電器的用電紀錄，以了解居家用電特性，成為精進節能減碳的基礎依據。

智慧家庭下一步　整合多元通訊技術/新標準

上述的無縫聯網均利用兩種與兩種以上網路的無縫接軌，以實現更智慧、方便的智慧家庭應用，但這些網路技術與標準仍持續發展中，因此一方面要無縫整合，另一方面也要持續支援新規格、新標準，此對網通系統業者而言為一大考驗。

例如Small Cell正從3G轉往長程演進計畫(LTE)，後續也會轉入LTE-Advanced(簡稱LTE-A)、LTE-B(3GPP R12標準)，Wi-Fi也自2012年6月開始進入Gbit/s傳輸率等級的802.11ac，現階段為草擬版標準(Wave1)，後續將為正式版(Wave2)；同時，Wi-Fi Passpoint亦有第二階段的機制待實現(導入更多電信商驗證、政策等)，因此Small Cell與Wi-Fi間的持續無縫接合，依然是一大技術考驗。

類似的問題也發生在機上盒設計上，2013年9月HDMI自1.4版升級為2.0版，更完整支援4K超高畫質(UHD)內容的播放，而藍牙技術也於2013年12月自4.0版更新至4.1版，新版強調可避免異質通訊技術互相干擾的問題，並擴大支援物聯網應用，因此機上盒與HDMI Dongle如何持續整合更先進的HDMI與藍牙技術，一樣是不小的挑戰。

圖5　圖框中為適合智慧家庭運用的ZigBee應用型態，而ZBA適合商業大樓，ZRS適合購物賣場。

至於ZigBee與Z-Wave聯網技術發展方面，雖然基礎標準的改版幅度已減少，但ZigBee已廣泛定義出多種應用型態，其中適合於智慧家庭的型態包含家庭自動化ZHA(ZigBee Home Automation)、智慧遙控ZRC(ZigBee Remote Control)、智慧節能ZSE(Smart Energy)與ZSE2(Smart Energy Profile 2)、健康看護ZHC(Health Care，含健身)、LED照明控制ZLL(Light Link)等(圖5)。

其他如鍵盤、滑鼠、電玩操控的ZID(Input Device)，支援3D遊戲與電影的Z3S(3D Sync)等屬於RF4CE(Radio Frequency for Consumer Electronics)(針對消費性電子)的型態也都適合智慧家庭應用，但均有待相關解決方案的支援。

圖6　IFTTT雲端服務允許在網路上設定各種條件觸發連動，如太陽下山就叫WeMo打開電燈，或收到簡訊就打開或關閉電燈。

除此之外，雲端服務IFTTT(IF This Then That)也開始支援WeMo等裝置的事件觸發(圖6)，Nest Labs的煙霧偵測器具學習能力，一旦偵測到煙霧就發出警告，但若只是偵測到泡麵蒸汽或燭光晚餐的燭煙，終端用戶可將此設定為謊報，日後遭遇相同情境將不再發出警告。 最後還須考慮支援壓縮率更高的H.265視訊格式，凡此種種，都將考驗網通業者能否持續提供無縫聯網的承諾。