有線與無線傳輸優勢兼得　混合式寬頻網路當道

智慧家庭(Smart Home)將邁向有線/無線混合組網形式。因應家庭高速且多元的聯網需求，國際電機電子工程師學會(IEEE)和國際電信聯盟(ITU)兩大組織正各自醞釀新一代融合電力線通訊(PLC)等有線技術，以及無線區域網路(Wi-Fi)等無線方案的網路標準，以發揮有線/無線通訊截長補短的效益；近期北美、大陸電信商和科技大廠更已紛紛響應並展開部署及測試，讓智慧家庭發展邁入新里程碑。

其中，Google、蘋果(Apple)和三星(Samsung)等大廠皆已嗅到智慧家庭混合網路商機，如Google接連購併Nest和Dropcam，強化家庭無線和有線技術布局；而蘋果、三星則分別推出HomeKit開發套件，以及智慧閘道器(Smart Gateway)產品，以支援多元有線、無線聯網技術，通吃家庭內部及對外聯網應用商機。

在國際標準組織、科技大廠力拱下，智慧家庭混合網路的能見度已顯著提升，吸引邁威爾(Marvell)、高通創銳訊(Qualcomm Atheros)、領特(Lantiq)和聯發科等通訊晶片商競相投入布局，分頭搶攻有線、無線混合組網解決方案，包括三頻(2.4/5/60GHz)Wi-Fi、光纖到分配點(FTTdp)，以及Wi-Fi加PLC、長程演進計畫(LTE)加數位用戶迴路(DSL)等。

終結有線/無線戰火　智慧家庭混合組網才是王道

圖1　資策會智通所先進通訊系統中心Small Cell先進技術整合組組長何智祥認為，混合網路將是實現智慧家庭的關鍵，台商應加緊展開布局。

資策會智通所先進通訊系統中心Small Cell先進技術整合組組長何智祥(圖1)表示，智慧家庭其實就是物聯網(IoT)的縮影，摻雜各種有線和無線通訊技術；而各種聯網方案又依傳輸速率、頻寬、調變機制和建置條件等差異，在家庭內部和對外連結應用中，各不相容且壁壘分明，導致整體骨幹網路架構過於複雜、使用不便，且安裝及維護成本高昂，在在成為智慧家庭發展牛步的致命傷。

著眼於此，IEEE和ITU從2013年底就致力推動有線和無線混合組網概念，並分別發布IEEE 1905.1a與ITU-T開放式協定抽象層(OPAL)標準草案(表1)，期以旗下的寬頻聯網技術標準為核心，再透過新的中介軟體(Middleware)橋接解決方案收納兼容對方陣營的技術，從而建構一體適用的智慧家庭混合網路平台。

表1　IEEE 1905.1a與ITU-T OPAL標準比較

何智祥分析，IEEE雖掌握目前家庭滲透率最高的Wi-Fi標準，且已推展至1Gbit/s的802.11ac方案，但無線訊號穿透率受環境影響甚鉅，在慣於加厚房屋牆壁的歐洲及住宅林立擁擠的亞洲地區，Wi-Fi速率和連線品質往往大幅下滑，因此還須搭配有線技術搭建骨幹網路，方能確保智慧家庭聯網體驗；這也是IEEE積極研擬1905.1系列標準的原動力。

現階段，IEEE 1905.1已能支援Wi-Fi、乙太網路(Ethernet)、多媒體同軸電纜聯盟(MoCA)及PLC等異質網路技術，可謂家庭混合式寬頻網路的開山始祖。

新版1905.1a更將802.11ac、MoCA 2.0、藍牙(Blubtooth)、ZigBee，以及HomePlug AV2和隸屬ITU陣營的G.hn標準兼容需求納入考量，其主要支持者高通(Qualcomm)與博通(Broadcom)正緊鑼密鼓開發晶片。

儘管IEEE 1905.1方案已獲得美系IC設計大廠強力支持，但歐洲、中國大陸電信業者卻傾向支持ITU-T OPAL標準，以G.hn電力線技術做為骨幹網路，再利用Wi-Fi拓展網路覆蓋率，因而也激勵ITU傾力發展Wi-Fi/G.hn橋接中介軟體，逐漸形成另一股影響性不容小覷的智慧家庭寬頻聯網技術發展勢力。

其中，中國大陸推動OPAL方案的動作最為積極，當地三大電信商之一的中國電信正擴大布建、測試G.hn加Wi-Fi混合網路；同時，國家級通訊管理組織也基於OPAL的架構，研擬自有無線/有線網路橋接中介軟體規範，並透過政策補助扶植海思等本土晶片商。

值得注意的是，北美電信營運商--AT&T近期提出一項初步網路測試報告，在HomePlug AV2與G.hn的服務品質(QoS)、網路管理機制等各項評比中，G.hn幾乎完勝。由於AT&T係全球重量級電信商，一舉一動皆動見觀瞻，未來其傾向選用IEEE或ITU標準方案，勢將為家庭網路主流標準的拉鋸戰帶來影響。

何智祥分析，IEEE和ITU-T陣營看似水火不容，各自扶植自有標準，但基本上都以家庭混合網路概念為出發點，前者希望改善Wi-Fi使用缺點，而後者則寄望藉由Wi-Fi廣大的建置基礎，提升G.hn技術滲透率。在兩大標準組織力拱下，混合網路設計架構可望快速成形，為智慧家庭發展再添動能。

PLC加Wi-Fi設計崛起　家庭網路/寬頻接取大融合

圖2　邁威爾IoT事業部門無線連結方案資深行銷總監Kevin Tang強調，802.11ac是今年最熱門的無線技術標準，在行動和家用市場都有很大影響力。

以Qualcomm Atheros和邁威爾為例，兩家晶片商雖分別支持IEEE HomePlug與ITU G.hn系列PLC標準，但近來發展路徑卻相當一致，都提出Gbit/s PLC搭配Wi-Fi的混合式寬頻網路參考設計，以解決智慧家庭網路布建難題，進而帶動旗下有線和無線晶片銷售。

邁威爾IoT事業部門無線連結方案資深行銷總監Kevin Tang(圖2)表示，未來智慧家庭將奠基於多種類型的混合式寬頻網路，藉以活用既有的有線銅纜和方便使用的無線網路，兼顧布建成本和擴充彈性；因此晶片商必須同時具備有線及無線產品陣容，才能滿足未來智慧家庭聯網設備的設計需求，這也是該公司近來不斷加碼投資Wi-Fi 802.11ac和PLC G.hn的主因。

Tang分析，過去家庭網路與核心網路距離較遠，最後一哩(Last Mile)方案多為基於銅纜、傳輸速率數10M?數百Mbit/s的xDSL或DOCSIS等寬頻接取(Broadband Access)技術；然而，在電信商和有線電視營運商持續擴建光傳輸網路(OTN)下，最後一哩與核心網路的距離已能縮短至100～200公尺，因而開始驅動家庭網路和寬頻接取技術匯流。

在此趨勢下，具有高速傳輸效能，又能沿用同軸電纜的G.hn技術，遂躍居產業新寵，將有助電信商、有線營運商、ODM和OEM縮減家庭網路建置成本，同時提供Gbit/s的速度，滿足全高畫質(FHD)影音串流和各種雲端服務應用需求。

Tang更透露，近期亞洲地區電信業者、ODM和OEM正擴大導入G.hn，特別是中國大陸和台灣業者需求最為強勁，看好該技術的原因包括其為開放式標準、可達到Gbit/s等級的傳輸速率，且晶片和設備互通性已經過層層驗證，因而紛紛採用G.hn做為寬頻接取方案，再搭配同樣達Gbit/s速率的802.11ac Wi-Fi實現多元家庭聯網應用。

因應市場需求，邁威爾近期也利用旗下廣泛的有線和無線技術，開始在家庭聯網市場大張旗鼓，除拓展802.11ac 2×2和4×4多重輸入多重輸出(MIMO)解決方案外，亦積極研發支援被動光纖網路(PON)、PLC、Wi-Fi、藍牙和ZigBee的混合網路參考設計，驅動家庭網路與寬頻接取技術加速融合。

無獨有偶，另一家通訊晶片大廠Qualcomm Atheros亦提出Wi-Fi 802.11ac/802.11ad與PLC HomePlug技術互補的設計概念，如HomePlug可用在須插電的靜態裝置，為須使用Wi-Fi連線的行動裝置省下無線頻寬，如此更能提升智慧家庭網路使用效率。

圖3　Qualcomm Atheros資深市場行銷經理Caleb Banke指出，該公司擁有完整Wi-Fi、PLC產品線，可協助系統業者實現家庭混合網路。

Qualcomm Atheros資深市場行銷經理Caleb Banke(圖3)補充，HomePlug AV2達到1Gbit/s傳輸速率規格後，正逐漸滲透至智慧家庭裝置，包括監控攝影機、冷氣機等。此外，HomePlug Green PHY則因應家用電表、電動車充電等設計需求，提供較低速率，但成本和耗電量大幅下降的資料傳輸方案；舉例來說，中國國家電網正大量部署內建HomePlug Green PHY的智慧電表，以便能遠端監控電網。

Banke強調，智慧家庭面臨的挑戰，包括聯網裝置數量激增、超高畫質(UHD)/大資料量內容傳輸及節能設計需求；對此，晶片商除須開發高效能網路處理器外，更要快步實現混合網路解決方案，讓各種家庭聯網應用適得其所。因此該公司即以IEEE 1905.1標準為基礎開發出Hy-Fi系列產品，以結合PLC、乙太網路可靠性及Wi-Fi的高彈性，提供覆蓋整個家庭的連線方案。

Banke也透露，HomePlug聯盟將於今年底前正式啟動nVoy認證計畫，屆時IEEE 1905.1混合網路技術發展將顯著加快腳步，並將由NTS(National Technical Systems)與中國工業和資訊化部電信研究院(CATR)，共同把關晶片和設備互通性測試，以確保終端用戶使用體驗。

實現Multi-Gbit/s應用　三頻Wi-Fi蓄勢待發

無庸置疑，電信商、晶片商和系統業者皆已將發展家庭混合式寬頻網路視為當務之急，然而，家庭頻寬需求正以指數增長，因此相關業者也馬不停蹄開發更高速、高頻寬的聯網方案，以提升網路吞吐量。

Wi-Fi堪稱智慧家庭核心聯網技術，在頻寬需求激增的衝擊下，該技術正亟須延伸傳輸速率、效率等規格；基於此一考量，相關晶片商除加緊研發802.11ac多使用者(MU)-MIMO技術，支援多用戶同時連線外，亦加碼投資60GHz 802.11ad標準，醞釀打造新一代三頻Wi-Fi解決方案，以實現Multi-Gbit/s傳輸速率。

Banke指出，802.11ac升級至MU-MIMO規格後，可透過波束成形(Beamforming)和軟體演算法，在多用戶同時連線的情境下提升三倍網路傳輸效率，進一步解決家庭聯網裝置倍增的問題。然而，2020年北美每一家庭平均將超過二十二部聯網裝置，是目前的三到四倍之多，所以802.11ac未來還須搭配速率高達3?4Gbit/s的802.11ad網路，以紓解頻寬不足的困境。

事實上，802.11ad已提出多年，但囿於60GHz設計和測試挑戰艱鉅，成本相對高昂，導致系統廠投入意願不高，而主要晶片供應商更僅有Wilocity一家較為人所知，在在影響該技術發展。對此，Banke強調，在智慧家庭需求驅動下，802.11ad將從今年開始翻紅，加上高通近期成功購併Wilocity，可望將802.11ad推向出貨規模龐大的行動市場，進一步促進晶片降價，將有助該技術擴大滲透率。

現階段，Qualcomm Atheros亦積極研擬全新的三頻Wi-Fi參考設計，為家庭聯網應用創造更多可能性，包括行動高速連結、電腦運算、4K×2K無壓縮影音串流、點對點大資料量傳輸、無線擴充基座(Docking)和儲存裝置等。

猶如「老驥伏櫪，志在千里」這句名言，IEEE推動的Wi-Fi雖已經歷一、二十年風霜，不免被冠上老技術的帽子，但其實是歷久彌新，技術架構仍不斷進化，且目標直指下世代物聯網技術主流，未來除應用前景可期的三頻Wi-Fi方案外，新一代長距離傳輸標準--802.11ah亦將吸引業界目光。

Banke認為，802.11ah因傳輸距離可達數百公尺，有助系統業者以較低成本和較成熟的網路架構建置無線中繼站，進而拓展訊號覆蓋率，加速落實區域電力管理最佳化應用，將為智慧電網(Smart Grid)的發展補上臨門一腳。

圖4　家庭寬頻網路技術演進趨勢

除Wi-Fi技術外，光纖網路亦是推動智慧家庭的關鍵一環，相關電信商、晶片業者為強化最後一哩技術頻寬支援能力(圖4)，同時減輕重新拉線的鉅額成本，正紛紛轉向更靈活、低成本的FTTdp有線寬頻網路建置模式(圖5)，以做為未來實現光纖到府(FTTH)願景的跳板。

圖5　FTTdp網路布建模式暨系統架構圖

兼顧光纖頻寬/成本　FTTdp掀PON/DSL混搭風

圖6　領特CPE產品部門總監陳耀堂認為，DECT ULE在智慧家庭的發展亦極具潛力，該公司正積極投入研發。

領特CPE產品部門總監陳耀堂(圖6)表示，FTTH意味著最後一哩直接從銅纜換成光纖，理論上，傳輸速率最接近PON核心網路；不過，短期而言，電信商要落實FTTH的難度相當高，其中包含光通訊元件技術成熟度、成本，以及老舊房子重新安裝線路的複雜工程等，都是主要的影響因素。

也因此，近來電信商遂開始發展FTTdp架構，利用光纖到大樓或電線桿(分配點)的形式，再透過DSL技術將頻寬分流至每個家庭，掀動新一波PON/DSL網路混搭風潮。

陳耀堂強調，相較於目前相當普遍的VDSL(50Mbit/s)，以及新版VDSL 2 Vectoring (50M∼100Mbit/s)，FTTdp可將家庭網路傳輸速率提高至250M∼1Gbit/s，並毋須替換既有銅纜，對電信商和使用者來說，無疑是一舉兩得的方案。

據悉，目前法國電信、義大利電信和印度電信業者皆已展開FTTdp實地測試，可望在今年底導入小規模商用。陳耀堂透露，看好FTTdp發展潛力，領特正緊鑼密鼓研發下一代VDSL標準--G.fast，並預定於2015上半年推出晶片樣品，供電信商和系統廠進行實測；隨後在下半年正式量產並導入終端設備後，智慧家庭網路將能在距離光纖網路200公尺的範圍內，達到1Gbit/s傳輸速率。

不僅如此，領特近期亦與Fraunhofer Institute、InnoRoute GmBH攜手發起超高速銅線寬頻技術開發計畫，將共同推動先進、具成本效益的混合式銅線/光纖存取網路，目標係將現有FTTdp資料傳輸率再延伸至2Gbit/s。

陳耀堂認為，隨著FHD、UHD影音串流日益風行，加上有線電視業者開始布局速率高達200Mbit/s的DOCSIS 3.0/3.1方案，電信商提供最高僅100Mbit/s速度的VDSL 2已不敷使用需求，因此勢將加速朝300Mbit/s，甚至1Gbit/s的技術發展，以避免其在家庭網路市場的主導地位遭有線營運商取代。

陳耀堂指出，因應市場需求，領特近期也開發出LTE結合DSL的寬頻網路參考設計，可發揮有線和無線技術互補效益，將家庭網路傳輸速率推升至300Mbit/s，可望在電信商從VDSL轉向FTTdp架構的過渡期，先一步提高頻寬，以滿足家庭用戶殷切的需求。

顯而易見，各種形式的智慧家庭混合式網路設計正快速崛起，為電信營運商、晶片開發商和系統製造業者引來全新商機；至於下一階段的發展，藍牙、ZigBee、超低功耗數位增強無線電話系統(DECT ULE)和近距離無線通訊(NFC)等短距無線連結技術，亦將扮演重要角色，有助推動家電自動化控制、智慧照明(Smart Lighting)、智慧能源管理，以及遠距醫療的應用，讓智慧家庭的發展更加成熟。