人類從海底電纜的電報時代發展成人手不只一機的無線通訊時代，但現在，通訊時代的潮流又逐漸從無線通訊慢慢轉變為有線通訊。
更能降低硬體成本、符合現在追求綠色環保與節能減碳的智慧電網(Smart Grid)，已經逐漸進入每個人的生活。其中，G.hn更是統整各類電力線規格標準的代表。
電力線通訊成本低
隨著聲音、影像的資料量日益增加，在家庭網路上需要新方法來與多重電腦連接或是可以連接上網際網路的設計。在家庭或辦公室的區域網路媒介不是有線網路，就是無線網路。對於目前家庭的有線網路系統，同軸電纜線(Coaxial Cable)、電話線與電力線(Power Line)都是常見的傳輸媒介。
其中，同軸電纜線與電話線已經廣泛使用於傳輸語音、視訊及數據資料，而電力線通訊(Power Line Communication, PLC)雖尚未普及，但它有很多的優點，例如其接點分布得非常廣、價錢低廉以及數據與電力傳送共用同一個媒介。
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| 圖1 現行的同軸電纜、電話線及電力線的各種規格標準 |
國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)正進行制定的G.hn標準，為通用家庭連網(Home Network, HN)協定，此協定將同時支援、整合室內電話線、同軸電纜及電力線等傳輸通道環境，且預期傳送速率可1Gbit/s，將成為新世代家庭網路有線連網的基礎。
然而，目前有線家庭網路技術規格紛亂，各產業聯盟各擁規格，其各組織標準如圖1所示。
由圖1可以發現，電話線與同軸電纜線的規格標準較為統一，現在幾乎都統一使用家用電話線網路聯盟(HomePNA)規格標準。然而，電力線的規格標準卻是紛亂不齊，各地區聯盟組織都有自己的規格標準。在ITU-T推廣G.hn企圖統一這三種有線網路的規格標準的同時，如何解決電力線通訊各地區聯盟組織的競爭關係似乎勢在必行。
G.hn--新一代的電力線通訊規格標準
現代生活已經與「電」息息相關，各個家庭更是布滿完整的電力線路。而電力線通訊將電力線轉換成通訊網，是透過將低功率訊息訊號疊加於電力波形之上。為確保兩系統能並存，使用於電力線通訊窄頻之頻率為3～148.5(9～490)kHz，寬頻應用為0～100MHz，與電力波形使用之50Hz(歐洲)或60Hz(台灣)遠離。
如上所述，電力線通訊因應頻帶大小不同，以及傳輸速率跟用途的差別，從早期主要用於指揮與控制的窄頻電力線通訊，一直到現在傳輸速率可達200Mbit/s以上的寬頻電力線通訊。
電力線通訊是一種透過電力線傳遞數據資料的通訊技術，原先僅專注於自動控制、自動抄表等窄頻應用上，不過在2005年陸續有業者推出高達200Mbit/s的寬頻晶片後，已可實現在電力線上提供數據、語音與視訊等寬頻服務。為了有別於早期的窄頻電力線通訊，這種高速的電力線通訊也可稱為寬頻電力線通訊(Broadband Over Power Line, BPL)。
ITU-T G.hn是下世代有線的家庭網路標準，其目的是發展統一的媒體存取控制(MAC)及實體(PHY)的規格，以家中現有的同軸電纜、電話線及電力線為傳輸介質，實現視訊、音訊及數據三合一服務(Triple Play)的高速應用。
ITU-T已於2008年12月12日公布其中一個關鍵部分G.9960，定義實體層規格，並於2009年完成相關的媒體控制層的規格。
2008年5月成立的HomeGrid Forum，在技術面及市場面大力推廣G.hn的標準，並積極與其他標準組織合作，使G.hn的標準能獲得其他組織的採用。到目前為止，已有美國電機暨電子工程師學會(IEEE)1901工作小組及三個家庭網路組織如消費性電子電力線通訊聯盟(CEPCA)、HomePNA及通用電力線聯盟(UPA)同意採用G.hn的技術標準。
隨著寬頻電力線通訊技術不斷的進步，就技術面的角度分析，已有諸多證據顯示利用電力線來傳送數據、語音與視訊等寬頻服務的可行性。但實際上寬頻電力線通訊卻始終無法普及，深究其原因，除了存在其他有線、無線的技術相互競爭外，各聯盟所制訂的寬頻電力通訊規格間彼此並不互通，是一個最主要的因素。也因此打亂了市場發展的腳步，減損企業或家庭用戶對寬頻電力線通訊的支持度。
所幸，目前已有ITU-T與IEEE這兩個國際性組織企圖出來統合寬頻電力線通訊的技術標準。其中，IEEE P1901定位為寬頻電力線通訊與智慧電網的重要標準；而ITU-T G.hn標準定位為終極的有線家庭網路標準，其傳輸媒介同時涵蓋同軸電纜、電話線及電力線。
有效減少硬體成本支出
在G.hn的實體層標準G.9960中，其傳送端與接收端的架構是建立在正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)架構上。OFDM技術將傳輸訊號分割成多個副載波(Subcarrier)進行傳輸，而每個副載波由於僅僅攜帶很小一部分的資料負載，OFDM技術就能利用更長的符號週期，從而使通訊傳輸訊號更不容易受到多徑傳輸(Multipath)的干擾或是其他外界的特殊干擾。OFDM技術除了透過分割載波的方法來增強通訊的抗干擾外，它還透過提高載波頻譜利用率的方法來提高通訊的穩定性。
其他電力線的通訊標準，為了符合電力線通道環境只能傳輸實數訊號的特性，大多採取頻域訊號前後做共軛(Conjugate)對稱，但這動作的缺點是必須犧牲一半以上的資料傳輸速率(Data Rate)，等於必須在硬體成本上使用較大尺寸(Size)的逆/正向快速傅立葉轉換(IFFT/FFT)，這就違背了當初選擇電力線通訊可以減少軟硬體結合上支出的優勢。
而在G.hn實體層G.9960的規格標準中，它設計了頻率轉換(Frequency up-shift)，可完全利用到每個頻帶，不會導致傳輸速率上的浪費。
由圖2可以發現，在G.9960標準中，Frequency up-shift的動作是在時域上完成的，而Frequency up-shift的數學表示式如公式1：
......................................................公式1
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| 圖2 Frequency up-shift於OFDM調變技術流程圖及傳送端的對應位置 |
由此可以發現，在公式1中，Frequency up-shift相當於是在對原本訊號做頻率提升，因為在時域上乘以exponential項，就是在頻域上對訊號本身中心頻率做移動的動作。
......................................................公式2
且在G.9960的規定中，m=(N/2)的設定剛好就是讓訊號的中心頻率各往左右位移一半頻寬的位置。而在傳送端傳送出去的時域訊號，就如公式2所示，是將原本訊號的實部部分乘以cos(nτ/p)與訊號的虛部部分做相減的動作後才傳送出去的。而p則是做頻率上偏移時所提升的倍率，將使原本訊號點數也增為p倍，相當於是在做內插的動作，藉以達到利用到各頻帶卻又不浪費傳輸頻率的目標，有效地減少在硬體上IFFT/FFT的成本支出。
圖3就是將訊號做p倍向上取樣(Up-sampling)的頻譜示意圖。
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| 圖3 p倍向上取樣流程圖 |
在企圖將向上取樣的訊號復原回來的同時，低通濾波器的選擇就是一個很大的課題。且在接收端進行解調前，必須將訊號做頻率下偏移(Frequency down-shift)的動作後才能進行解調。
留意取樣頻率誤差
當傳送端的數位類比轉換器(Digital to Analog Converter, DAC)的取樣頻率並沒有匹配於接收端的類比數位器(Analog to Digital Converter, ADC)的取樣頻率時，就會產生取樣頻率誤差(Sampling Frequency Offset, SFO)。
而在G.hn的規格標準中，可利用前置訊號(Preamble)的重複特性來偵測SFO的存在，並藉以補償回去。這裡先提出如何在MATLAB模擬上設計SFO對於傳輸訊號的影響。
公式3為接收端訊號加入SFO的頻域表示式，其中Δ為加入的固定SFO誤差值，而τ是SFO在接收端時域上所造成的時間偏移量。
......................................................公式3
可以發現，取樣頻率誤差是會隨著資料點數增加，干擾會越來越大，誤差會持續累積。且從公式3可以觀察到，取樣頻率誤差會造成時域上的偏移量ej2(kτ/N)，也會造成載波間干擾(Inter-Carrier Interference)ej2m(kτ/NΔ)，想要直接偵測與補償取樣頻率誤差並不是件容易的事。
如圖4所示，紅色實線假設是原本要擷取的訊號，黑色虛線是受到取樣頻率誤差後的錯誤訊號。而模擬上就採取前後兩點間的內插值，如公式4所示：
X'(k)=X(k)x(1-Δ)+X(k+1)xΔ ....................................公式4
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| 圖4 使用資料兩點間內插模擬取樣頻率誤差 |
此種模擬取樣頻率誤差的方法，可有效貼近實際上取樣頻率誤差所造成的干擾。此方法的優勢是模擬速度快。但因G.hn中傳送資料點數過於龐大，而此種方法會因資料點數越多，而累積越多的誤差。
另外一種方法則是犧牲模擬平台的記憶體空間，先將兩兩資料訊號間先分為L等分，如圖5所示，當遭受到取樣誤差時，就看落在L等分中的哪一分，就取那等分的值。此種模擬方法在G.hn中，雖然模擬上速度較線性內插慢，計算複雜度也較高，但所造成的誤差會小許多。
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| 圖5 將兩資料點間平分為L等分 |
模擬結果與估測SFO
從圖6可以發現，在加入SFO=10ppm時，訊噪比(SNR)增加仍然對錯誤率有明顯降低的情形，但當SFO=25ppm以上後，就會出現錯誤基數(Error Floor)的現象，所以下面將針對如何估測與補償SFO做模擬上的研究(圖7)。
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| 圖6 QPSK調變，不同SFO值所造成干擾的BER圖 |
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| 圖7 前後Preamble受到SFO造成的時間偏移量τ與 τ' |
由於上面討論以兩兩資料點間做內插的方式模擬SFO加入系統，所以在補償SFO的同時，只要去估測到SFO值的大小，即可做兩兩資料點間的外插，就能把SFO所造成的干擾給補償回去。
公式5為加入取樣頻率誤差後的頻域表示式，這裡定義R(l)為接收端頻域上Preamble訊號，而R1(l)表示為第一個Preamble訊號，R2(l)為第二個Preamble訊號。
......................................................公式5
其中第二個Preamble的時間偏移量τ2=τ1+ΔTs。在此讓第一個Preamble訊號與第二個Preamble訊號做共軛相乘，目的是藉由兩個Preamble的角度差，得到時間偏移量τ，藉以求出取樣頻率誤差值Δ。
......................................................公式6
由公式6可以看到，不考慮會造成子載波間干擾(Inter-Carrier-Interference, ICI)之子載波位置不匹配的問題，經由共軛相乘後的結果，可以得到純粹由取樣頻率誤差所造成的干擾項，並藉由前後項差分運算(Differential)估測到取樣頻率誤差值Δ。
從圖8可以發現，當加進去的SFO為25?50ppm時，在尚未做補償的動作時，其效能都會出現Error Floor的現象。但經過線性外插的補償動作後，即使是原本受到SFO=25ppm的錯誤率，也有了明顯的改善。就連G.hn規格所規定的SFO模擬上限50ppm，錯誤率都能有明顯的下降。
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| 圖8 線性外插補償後SFO的BER比較圖 |
規格一統 前景可期
在未來手持裝置市場廣大的前景之下，數位家庭除了必須具備的Wi-Fi無線連線上網的功能，若要進一步克服Wi-Fi會因樓層、牆壁甚至僅僅一扇門就會大幅衰弱訊號強度的缺點，有線通訊的規格推動及統一，就顯得勢在必行。G.hn規格的出現將大幅降低硬體成本的支出，其「Any Wire」的理念主軸將是未來建築數位家庭智慧電網所被依據的最重要規格。
(本文作者劉芫睿任職於華碩，朱柏安為成功大學電腦與通訊工程研究所通訊組研究生)