加速構築智慧家庭網路　IEEE 1905.1a融合有/無線傳輸

本篇文章將從IEEE針對家庭異質網路匯聚技術的技術層面開始介紹，亦即IEEE 1905.1a標準架構論述、IEEE 1905.1與IEEE 1905.1a的差異性，並藉由技術面的概述，進而探討家庭異質網路的發展、應用層面，以及智慧家庭異質網路普及之後所面臨的挑戰。

IEEE 1905.1a標準架構論述

IEEE 1905.1a主要針對傳統的資料連接層(Data-link Layer)擴增定義抽象層(Abstraction Layer)的概念，存在於實體層(Physical Layer)與網路層(Network Layer)之間，同時也可以稱做虛擬媒介存取控制層(Virtual MAC Layer)，如圖1所示；以下將之簡稱為1905 AL(1905 Abstract Layer)。

資料來源：資策會智通所自行繪製 圖1　虛擬媒介存取控制層

以圖2抽像層模型來看，介於上層(LLC)與下層(MAC)之間的灰色區塊即是1905 AL，1905 AL匯聚了不同網路技術，從LLC往下層看，可以透過1905 AL MAC address來識別，亦即利用AL MAC address識別一個1905的裝置(以及此裝置是否為1905裝置)。

資料來源：IEEE Std 1905.1a 2014 圖2 抽象層模型

而從MAC/實體層(PHY)往上層看，1905 AL底層包含了不同網路技術的MAC address，其主要利用1905 Interface SAP與底下各個不同網路技術介接(如IEEE 802.1、IEEE 802.11、IEEE 1901、MoCA等)，在1905.1a的標準規格中，並沒有要求修改底層的網路技術，因此不須要改變任何底層網路技術的行為或是實作方式，也可以與舊有的通訊標準相容。

在1905的裝置和裝置之間，則是傳送控制訊息資料單元(Control Message Data Unit, CMDU)來交換訊息，1905 CMDU可以依據1905協定中不同的訊息類型(例如Topology Discovery Message、Topology Notification Message、Topology Query Message、Topology Response Message、Link Metric Query Message、Link Metric Response Message等)，將訊息包在TLV(Type Length Value)中做傳送。在訊息轉送(Forwarding)的功能上，IEEE 1905.1a規格本身並無特別訂定Forwarding Entity的行為，而是使用IEEE 802.1 bridge實現。

透過1905 CMDU的交換，可以讓1905裝置透過群播(Multicast)的方式建立家庭網路的網路拓撲(Network Topology)，以及通知網路拓撲的改變(如有新的網路裝置增加，或是既有的網路裝置離線)，也可以進一步利用單一傳播(Unicast)方式詢問鄰近1905裝置的狀態(例如鄰近1905裝置底下有幾個網路介面、網路介面的類型等資訊)，也包含了底層彼此相連的網路介面連結狀態(Link State)，如遺失封包的數量、傳輸封包的數量等。

IEEE 1905.1a藉通用實體層技術實現異質網路整合

IEEE 1905.1a工作小組於2013年發行第一版後，隨即開始討論1905.1a修正版，期間開放且接受各方的請求，最後於2014年底發行IEEE 1905.1a正式版，最主要是制定一通用訊息藉以支援額外的MAC/PHY異質介面，例如ITU-T G.hn和G.hnem、HD-PLC 3 inside、HomePlug AV2、IEEE 1901.2 Narrow band PLC、HomePNA、MoCA 2.0、ZigBee、藍牙(Bluetooth)與其他未在IEEE 1905.1中定義的網路傳輸技術標準，同時提高此整合機制的可用性。以下就IEEE 1905.1a新增加的CMDU，分成上層資訊交換、能源管理、通用實體層支援等三大類進行說明。

．上層資訊交換

上層資訊請求(Higher Layer Query Message)與上層資訊回應(Higher Layer Response Message)，用以交換上層資訊，包含1905 AL MAC位址、訊息版本、裝置識別資訊、設定與控制介面之URL、裝置對應的IP位址等。透過上層資訊的交換，預期將使IEEE 1905.1a具有更好的網路環境調適能力，並且使整個整合網路環境在運作上更具有效率。

．能源管理

透過1905裝置之間交換的能源狀態訊息(Interface Power Change Information TLV/Interface Power Change Status TLV)，讓彼此可以透過單一傳播達的方式，也就是利用請求(Request)、回應(Response)，達到節能省電的目的，例如透過Interface Power Change Information可以要求鄰近裝置幾種使用能源的狀態，如關閉電源(PWR_OFF)、啟動電源(PWR_ON)、省電狀態(PWR_SAVE)。當鄰近裝置接收到請求時，也會針對目前狀態做幾種回應，如狀態改變完成(Request Completed)、狀態不須要做任何調整(No Change Made)等。

．通用實體層支援

包含通用實體層查詢/回覆(Generic Phy Query/Response Message)、網路拓撲探索(Topology Discovery)等控制訊息。現行網通技術多樣，可根據應用需求與布建環境選擇不同的通訊技術，面對如此多樣化的網路環境與應用場景，IEEE 1905.1a提供了通用實體層的概念，此舉將使各種不同的網通技術得以交換實體層資訊、進行拓撲探索，達到能彈性整合不同網路技術的目的。

智慧家庭異質網路趨勢成形

智慧家庭異質網路的發展，主要基於各種不同家庭網路技術之整合應用，例如以自動化系統控制各項家用設備，提供智慧互動、保全監控、環保節能、居家照護、雲端存取、高速影音串流等等提高生活品質的應用。

隨著此趨勢之發展，各種家電用品紛紛加入聯網功能，使家電變得更智慧且人性化。視聽娛樂設備如智慧電視，更可藉由網際網路的豐富資訊與寬頻網路的普及，帶來更繽紛的使用體驗，滿足使用者的多樣化需求，而成為近年聯網裝置的熱門產品。同時，居家環境的網路取用方便性，也可以讓親友之間的通訊變得更加便利，拉近人與人之間的距離。

而在未來智慧家電大量應用於智慧家庭的環境中，會有許多智慧互動空間，包含客廳、書房、廚房、臥室，甚至是庭園等等的智慧環境。異質網路整合扮演了相當重要的角色，方便且有效率地整合不同設備、通訊方式，勢必成為未來發展趨勢。

想像一下走進未來智慧家庭的場景，透過感測網路技術，一進門會有互動玄關歡迎住戶回家，同時根據時間與習慣，開啟居家空間的燈光、空調，甚至是熱水器等。走進客廳，可能會有可與行動裝置整合的智慧電視甚至是智慧玻璃面板，整合多樣服務，使用者除了可以享有喜歡的數位內容、透過體感互動滿足人對於身心靈健康上的追求，也能即時控制家中各種裝置、不漏接社區訊息，掌握生活資訊。書房則有觸控書桌、電子畫布、電子白板等等工作、學習用設備；廚房有智慧型冰箱、可於網際網路搜尋食譜做為調理參考的智慧型調理工具等等。

針對更多不同需求的應用，如居家照護需要的生命徵象感測器、空氣品質/溫濕度感應器等，或是關係整個家庭空間安全的設備，如瓦斯偵測/遮斷器、煙霧偵測器、警報按鈕、紅外線或超音波入侵偵測等。這些機制都有助保障生命財產安全。

而能源也是近來大家所關注的焦點，透過智慧家庭網路，各項家電的用電狀況以及用電比例將透過一管理機制進行監控分析，參考過去的使用的資料，設定適合的電力使用目標值，讓家中電力消耗更具效率，輕鬆節約用電，主動省下不必要的浪費。上述這些都是現在與未來的發展趨勢，導入智慧家庭網路之概念，對於生活品質將可以大幅度地提升。

應用設定/網路管理成智慧家庭發展兩大挑戰

居家空間多樣、可能存在特殊環境與需求等特性，帶來多變與廣泛的網路環境需求。從傳統的有線乙太網路(Ethernet)、無線區域網路(Wi-Fi)，到ITU-T G.hn、MoCA 2.0、Homeplug 2.0、IEEE 802.15.4(ZigBee)、802.ah(Sub 1GHz)等等，皆在家用網路解決方案中角逐一席之地。對於新推出的不同網路技術之匯聚(Convergence)、整合機制，所面臨的挑戰大致上可分為建置的方便性、運作的穩定性等兩個方面討論。

面對眾多的傳輸技術，在理想的狀況下，消費者可根據不同應用層面、空間規劃等需求，選擇最適合的布建方式與傳輸技術，建立心目中理想的智慧居家網路。然而眾多聯網技術標準構成的選擇難度及實施障礙，將會降低消費者建構完整智慧家庭環境的意願。

智慧家庭網通產品之消費者，不一定為具備足夠知識背景的專業人士。有鑑於此，簡化設定程序、自動化設定、按鈕配對、通用隨插即用(UPnP)等設計也陸續導入新的產品中。降低布建技術門檻也有利於家庭網路、智慧家庭應用與相關系統之推廣，且也能降低無形的推廣成本；面對整合不同網路通訊技術的需求，相關自動化設定機制的設計勢必要更有彈性，能夠精準地判斷、選擇，方能建立容易使用的智慧家庭網路，此在未來將成為相當重要的課題。

在智慧家庭異質網路的架構中，同時具有低速控制網路與高速資料傳輸網路等不同性質的應用需求，如何有效率地使用各種傳輸特性不同的聯網技術為關鍵的重點。例如在家庭娛樂的部分，隨著高畫質影音網路串流需求急遽增加，從Full-HD到Ultra-HD的影音傳輸，因所需的頻寬更大，以至於需要更快速的傳輸技術，加上不同裝置同時分享相同串流內容等需求，高速多工是一大挑戰。同時，關係於家庭節能的低速控制部分也要能維持正常運作，在此場景下，除了通訊媒介整合之外，有效進行網路管理也是使用一個異質網路的重要挑戰。

由於不同的通訊媒介具有不同的頻寬、延遲(Latency)、抖動(Jitter)、通量(Throughput)及損耗(Loss)等特質，異質家庭網路管理的重要問題之一便是服務品質(Quality of Service, QoS)的控制，亦即針對每一個應用的需求，同時顧及連線穩定性、資料傳輸的正確性、傳輸速度、傳輸延遲等等的各種可能影響網路傳輸的層面，選用適當的通訊媒介與相關傳輸控制策略，使所有應用皆能享有穩定且有效率的網路傳輸。

在家庭網路中，各種不同的應用也日趨普及。從最基本的資料分享、通訊、影音娛樂，到智慧家電控制，或是結合各種感測技術的節能、安全、居家照護等等先進應用。透過1905.1與其增修版本--1905.1a，將有助於上述智慧家庭的實現，無論是支援不同網路技術的整合、提高傳輸效能等面相，皆提出了對應的解決方案。有別於傳統網路幾乎都是單一網路技術的特性，不同網路技術具有的不同特性，例如不同的頻寬、空間規劃對無線訊號的影響、家電對於電力線相同迴路的干擾等問題，同時也須兼顧對於一般消費者的易用性與整體網路環境的自我調適能力與穩定性。上述皆為異質網路整合後將帶來的願景與挑戰，值得持續關注與期待。

(本文作者皆任職於資策會智通所)