標準組織/晶片商頻出招　智慧家庭聯網技術戰火熾

圖1　意法半導體大中華暨南亞區類比、微機電與感測元件技術行銷專案經理李炯毅表示，智慧家庭的概念大約包含居安監控、能源管理、娛樂互動、家電操控、醫療照護等應用範疇。

標準組織/晶片商爭相逐鹿智慧家庭，讓各種有線/無線融合組網方案競相出籠，期能為家中成員打造更為流暢通順的聯網環境。

意法半導體(ST)大中華暨南亞區類比、微機電(MEMS)與感測元件技術行銷專案經理李炯毅(圖1)表示，智慧家庭是物聯網(IoT)重要的一環，其發展的主要目的，是希望能藉由改善家中環境，打造舒適便利的生活空間；主要包含居安監控、能源管理、娛樂互動、家電操控、醫療照護等應用範疇。

李炯毅進一步指出，人類與環境的互動須要透過數據判讀、訊息交換與處理，智慧家庭的各種系統亦然；因此各種感知生理、環境訊息的感測器將是形成智慧家庭環境的一大基礎。

有了數據資料後，下一步便是資訊的交換。李炯毅指出，無線區域網路(Wi-Fi)、ZigBee或是藍牙(Bluetooth)等低功耗、短距離的無線通訊方案，與人機互動介面一樣，同樣都是感測系統的前線尖兵，因此聯網機制與後端系統的整合與應用，向來是設計智慧自動化空間的重要課題(圖2)。

圖2　使用者介面與聯網技術，將是智慧家庭應用中重要的一環。

圖3　鉅景科技Smart IoT產品處資深協理劉尚淳觀察，Wi-Fi與ZigBee/BLE等技術的整合，在眾多擁護者力拱之下，有機會形成龐大的市場運作體制。

鉅景科技Smart IoT產品處資深協理劉尚淳(圖3)觀察，目前有愈來愈多無線傳輸技術進駐智慧家庭(表1)，尚無任一技術能一統霸業；系統廠須考量使用者的需求及無線技術的個別優勢，以技術整合的方式建構最合適的智慧家庭聯網環境。

劉尚淳分析，技術整合的優先考量為家中設備的兼容性與互動性，以滿足便利化及智慧化的使用需求；目前可以觀察到的是，Wi-Fi與ZigBee/藍牙低功耗(BLE)等技術的整合，在眾多擁護者力拱之下，有機會形成龐大的市場。

除了上述提到的低功耗無線通訊之外，超低功耗技術聯盟(ULE Alliance)正戮力將數位增強無線電信(DECT)技術勢力版圖，由室內無線電話擴張至智慧家庭領域，除已發展出超低功耗版本的DECT ULE技術和通訊協定外，亦將於今年底正式啟動相關產品認證，揮軍家庭自動化、居家監控和智慧電表等應用市場。

表1　現有主要無線家用低功耗技術

產品認證年底啟動　DECT ULE逐鹿智慧家庭

領特(Lantiq)CPE產品部門總監陳耀堂(圖4)表示，DECT技術發展已久，在歐洲及美國地區都極為普及，目前全球總計有超過八億套DECT系統，具有市占率高及成本低的特點，是其進軍智慧家庭領域相當好的市場優勢。

圖4　領特CPE產品部門總監陳耀堂表示，DECT ULE有低功耗、傳輸距離長、低延遲、低頻段干擾等優勢，非常適合智慧家庭聯網應用。

不僅如此，DECT ULE本身還有許多優於藍牙、Wi-Fi、ZigBee的技術長處，如語音通話及數據資料可並行傳輸、頻段雜訊少、超低功耗及長達300公尺的傳輸距離等。

陳耀堂進一步分析，Wi-Fi、藍牙、ZigBee以及許多通訊技術都運行於熱門的2.4GHz頻譜，造成該頻段過於擁擠，因而有嚴重的訊號干擾問題，而DECT ULE則係運行於頻譜資源較乾淨的1.7G～1.9GHz，故無此煩惱。

此外，DECT ULE網絡係採星狀拓撲(Star Topology)，可以一個ULE基站(Base)同時對多組ULE節點(Node)溝通；最重要的是，DECT ULE在室內及室外的傳輸範圍最遠分別可達50及300公尺，換言之，DECT ULE訊號可覆蓋家中所有範圍，而毋須像藍牙或是其他短距無線通訊一樣，須透過中繼器(Repeater)來擴展訊號範圍。

據了解，ULE聯盟已於2013年正式發布DECT ULE的通訊協定標準--HAN FUN(Home Area Network FUNctional Protocol)，並於今年第二季開放原始碼(Open Source)，認證計畫則預計於2014年底正式啟動。

不過，相較於其他短距無線通訊陣營，身為後起之秀的DECT ULE仍面臨著高壓的市場競爭。陳耀堂認為，過去專注於DECT技術的晶片商--領特、戴樂格(Dialog)及DSPG(DSP Group)，欲再跨入DECT ULE技術並非難事，未來這三家晶片商將成為鞏大DECT ULE市場的重要支柱。

事實上，DECT ULE晶片商已積極與家電廠、感測裝置廠商合作，期在家電、偵測裝置、插頭等感測節點中廣泛置入DECT ULE，擴大該技術滲透率(圖5)。

圖5　DECT ULE應用示意圖

值得注意的是，有線/無線通訊的融合組網亦為標準組織及晶片商的另一戰場。家庭異質網路匯聚平台的出現，將有助於打通家中有線與無線聯網技術的藩籬，創造無縫互通的應用環境。

融合IEEE/ITU標準　異質網路匯聚平台問世

圖6　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表示，各種智慧家庭聯網技術正百花齊放，能匯聚各種家庭異質化網路的平台將更為重要。

為解決家庭聯網技術互通問題，國際電信聯盟電信標準化部門(ITU-T)及國際電機電子工程師學會(IEEE)正積極將對方的標準納入自有規範；而資策會智通所也戮力開發家庭網路匯聚技術模組架構--CoGI(Converge of ITU-T G.hn and IEEE 1905.1)，以軟體技術整併兩大標準。

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6)表示，物聯網概念已滲透至智慧家庭應用，包括家電操控、居家監控、醫療照護、家庭娛樂、能源管理等五大面向；而隨著智慧家庭市場日漸龐大，高通(Qualcomm)、Google、微軟(Microsoft)、蘋果(Apple)等大廠皆爭相搶進標準制定競賽。

何智祥進一步指出，各種智慧家庭聯網技術正百花齊放，相關標準紛紛問世或是推陳出新，也因此能匯聚各種家庭異質化網路的平台已益形重要；事實上，家用異質網路匯聚技術標準中有兩大陣營，即分別為ITU-T及IEEE，兩陣營各自力拱IEEE 1905.1及G.hn標準。

IEEE 1905.1工作小組係以高通、博通(Broadcom)等晶片廠為主要成員，ITU-T G.hn則有邁威爾(Marvell)、義傳等晶片商力挺。何智祥透露，中國大陸為了擺脫高通、博通等大廠的箝制，遂選擇以G.hn做為固網布建的標準，而為了彌補G.hn無法融合Wi-Fi的短處，中國大陸產官研亦正商討擬定G.hn橋接Wi-Fi標準的可行性。

圖7　資策會智通所經理董一志分析，IEEE與G.hn兩陣營背後分別有高通、博通、邁威爾等通訊晶片商力拱，互不相讓，目前雙方正在家庭聯網市場中各據山頭。

與此同時，IEEE也在起草可兼容G.hn的IEEE 1905.1a標準，希望能鞏固既有地盤，遂讓家庭聯網技術之戰愈演愈烈。

資策會智通所經理董一志(圖7)分析，這兩大家庭聯網通訊標準正邁入短兵相接的戰國時代；IEEE陣營挾整合HomePlug與Wi-Fi等有線/無線通訊的技術優勢，強襲家庭聯網市場，但後起之秀G.hn在聯網管理機制方面的技術如服務品質(QoS)優於前者，因此目前兩陣營正在家庭聯網市場中各據山頭。

據了解，IEEE 1905.1及G.hn標準的實體層、編碼與調變技術皆不同，因此絕大多數產品在家中無法同時使用。

為了解決ITU-T與IEEE兩陣營的家庭聯網產品無法互通的問題，有部分廠商戮力推動整合不同傳輸媒介的標準，不過大部分皆為自有規格，產品互通性極低。

圖8　策會智通所開發的家庭網路匯聚技術模組架構—CoGI應用示意圖

有鑑於此，資策會智通所正戮力開發家庭網路匯聚技術模組架構--CoGI(圖8)。董一志指出，該模組架構係以軟體技術整併ITU-T G.hn與IEEE 1905.1標準，藉此串聯家庭內有線網路如乙太網路(Ethernet)、電力線通訊(PLC)，以及無線寬頻網路，實現智慧家庭異質網路匯聚。

ICT大廠力推開放式架構　家用閘道器角色吃重

事實上，為了讓家中的聯網設備、家電及各種應用服務彼此之間能夠順暢無虞地溝通，近來資通訊(ICT)大廠競相力促開放式架構，讓不同品牌、傳輸層或是作業系統的裝置能順暢地交換訊息；也因此，家庭閘道器也將擔負更重要的任務，而不再只是聯網裝置及網通設備的控制中樞。

高通創銳訊(Qualcomm Atheros)業務拓展經理林健富(圖9)表示，未來家中的智慧型閘道器將扮演統合各種有線/無線聯網機制、資訊娛樂設備應用程式(APP)管理平台、涵蓋路由器/數據機/接取裝置(AP)的多功能設備等重要角色。

圖9　高通創銳訊業務拓展經理林健富表示，開放式架構幾乎成了許多半導體業者、系統廠、電信商等資通訊廠商在物聯網潮流下尋求的解答之一。

林建富分析，因此在閘道器設計考量上尤須避免閘道器因常時開啟(Always-on)導致功耗過高、Wi-Fi/3G/長程演進計畫(LTE)/藍牙彼此的天線互相干擾，以及閘道器與雲端交換資料時造成資安漏洞等問題。

林建富進一步指出，除了上述設計考量之外，系統開發商還須面臨另一個更為嚴峻的考驗，也就是家中各個聯網裝置/家電是否奠基於相同的通訊架構，以利彼此溝通及交換訊息；而身為家中聯網控制中樞的閘道器，是否又能有效扮演管理所有基於此平台上之設備/家電/裝置的統籌者一職。

事實上，類似的問題不只在智慧家庭領域出現，從家中擴及至建築、城市，幾乎所有與物聯網相關的應用都會碰到此難題；也因此，開放式架構幾乎成了許多半導體業者、系統廠、電信商等資通訊廠商在物聯網潮流下尋求的解答之一。

以高通子公司高通創新中心(Qualcomm Innovation Center)所開發的初始框架(Framework)--AllJoyn為例，林建富即表示，由於體認到單憑一己之力並無法將AllJoyn順利推進至市場，因此高通於2013年底即領頭成立AllSeen聯盟(AllSeen Alliance)，並將AllJoyn捐獻給該組織，期能透過眾人之力讓AllJoyn成為一產業互通的開放平台(圖10)。

圖10　AllJoyn通訊協定應用示意圖

據了解，AllSeen聯盟的成員在此開放軟體框架下將共享軟體及工程技術資源，這將有助於硬體製造商、服務提供者和軟體開發者，開發各種獨特但又可以彼此交互操作的裝置及服務。

另一方面，包括愛特梅爾(Atmel)、博通、戴爾(Dell)、英特爾(Intel)、三星電子(Samsung Electronics)與溫瑞爾(Wind River)亦於今年7月中旬聯手建立新的產業聯盟--開放互連聯盟(Open Interconnect Consortium, OIC)，期能開發出一套共同通訊框架(Common Communications Framework)以及一系列可與不同系統相容的連結解決方案。

林建富補充，開放平台建立之後，智慧家庭中的產品、應用和服務之間的溝通將更為順暢，與此同時，家庭閘道器也須擔負統一管理這些設備的重責大任；如高通創銳訊的家用智慧閘道器方案，即讓家用閘道器除了身為聯網裝置、娛樂設備的中樞，及融合多種網通設備的功能外，更能肩負統籌家中所有AllJoyn裝置、應用和服務的重要角色。

此外，蜂巢式通訊在智慧家庭市場亦不缺席。事實上，第三代合作夥伴計畫(3GPP)正緊鑼密鼓制定第十二版(R12)標準，而為了提升LTE於室內數據通訊的表現，LTE R12版本中將納入LTE-Hi(LTE Hotspot/indoor)技術規範，希望能藉此提升40%的LTE室內訊號收發效率，相關技術細節可望於2014年底底定。

提升室內訊號品質　LTE-Hi標準年底可望問世

圖11　盟創科技副理簡琬莉認為，隨著智慧家庭話題持續發燒，如何增強LTE室內訊號覆蓋範圍及數據傳輸品質的課題將變得愈來愈重要，因此LTE-Hi標準將會更受矚目。

盟創科技副理簡琬莉(圖11)表示，以居家、辦公室、戶外三大使用場所來區分，用戶在家中使用LTE數據服務的比例最高，占比將近七成，且未來用戶於室內使用語音通話及數據服務的頻率還會往上攀升(圖12)；然而，LTE在室內訊號品質通常不甚理想，也因此，改善LTE於室內的通訊品質，就成了電信營運商、基地台設備商以及標準組織努力的目標之一。

有鑑於此，3GPP開始研發新傳輸型態的小型模擬基地台(Phantom Cell)與LTE-Hi技術規範，並將其列入預定於年底發布的LTE R12版本中，以提升室外與室內行動寬頻網路的訊號覆蓋率。

簡琬莉進一步指出，LTE R12版本又稱為LTE-B(或稱LTE-A Phase 2)，其目標在於提升現有LTE網路三十倍的容量(Capacity)及十倍的基地台邊緣(Cell Edge)傳輸力。

值得注意的是，其中的LTE-Hi規範將首度導入三維多重輸入多重輸出(3D MIMO)天線以及三維波束成形(3D Beamforming)技術以減少室內的收訊死角，並採用IEEE 802.11ac具備的256QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調變技術，降低不同通訊技術間彼此的干擾，進一步強化LTE訊號品質。

據了解，目前已有電信營運商、基地台設備商等積極試行驗證LTE-Hi與參與標準研擬，如大陸的中國移動、日本的NTT DOCOMO均已開始試行，其中NTT DOCOMO已試行LTE-Hi規範中動態分時雙工(Dynamic TDD)、模擬基地台等技術。

圖12　用戶在家中使用LTE數據服務的比例最高，占比將近七成。

簡琬莉認為，隨著智慧家庭話題持續發燒，如何增強室內訊號覆蓋範圍及數據傳輸品質的課題將變得愈來愈重要，因此小型基地台(Small Cell)、毫微微蜂巢式基地台(Femtocell)、中繼站(Relay Node)、Wi-Fi分流(Offload)等技術或應用相繼問世。

簡琬莉表示，雖然LTE-Hi目前僅為LTE R12版本中眾多技術的一小部分，但未來LTE-Hi的發展隨著智慧家庭市場的成長將會更備受矚目。

顯而易見，無論是低功耗無線通訊、有線/無線聯網方案的匯聚平台、開放式通訊協定架構、蜂巢式網路等，聯網技術已成有志競逐智慧家庭商機廠商的關注焦點，各方無不想方設法提升智慧家庭內各種應用服務的通訊品質，打造流暢的聯網環境，為用戶帶來絕佳的使用經驗。