家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合：IEEE 1905.1a標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)詳述 - 全文

　　目前智能電視、手機(jī)等終端裝置的使用量逐年增加，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在家中可說隨處可見。透過家庭中的無線網(wǎng)絡(luò)，在家中將可以更輕松地在自己喜歡的位置使用各種上網(wǎng)裝置；有線網(wǎng)絡(luò)則提供了更高的帶寬（Bandwidth）以及質(zhì)量，甚至是透過家中的插座，都可以利用電力線隨時隨地使用網(wǎng)絡(luò)。

　　上述這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大眾并不陌生，在現(xiàn)今生活也都廣泛地被使用，因此也促使電子電機(jī)學(xué)會（IEEE）開始訂定融合這些不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 1905.1a.

　　本篇文章將從IEEE針對家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的技術(shù)層面開始介紹，亦即IEEE 1905.1a標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)論述、IEEE 1905.1與IEEE 1905.1a的差異性，并藉由技術(shù)面的概述，進(jìn)而探討家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、應(yīng)用層面，以及智能家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)普及之后所面臨的挑戰(zhàn)。

　　IEEE 1905.1a標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)論述

　　IEEE 1905.1a主要針對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接層（Data-link Layer）擴(kuò)增定義抽象層（Abstraction Layer）的概念，存在于物理層（Physical Layer）與網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）之間，同時也可以稱做虛擬媒介訪問控制層（Virtual MAC Layer），如圖1所示；以下將之簡稱為1905 AL（1905 Abstract Layer）。

　　圖1虛擬媒介訪問控制層

　　以圖2抽像層模型來看，介于上層（LLC）與下層（MAC）之間的灰色區(qū)塊即是1905 AL，1905 AL融合了不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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）。

　　圖2抽象層模型（數(shù)據(jù)源：IEEE Std 1905.1a 2014 ）

　　而從MAC/物理層（PHY）往上層看，1905 AL底層包含了不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的MAC address，其主要利用1905 Interface SAP與底下各個不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介接（如IEEE 802.1、IEEE 802.11、IEEE 1901、MoCA等），在1905.1a的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中，并沒有要求修改底層的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此不須要改變?nèi)魏蔚讓泳W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的行為或是實作方式，也可以與舊有的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容。

　　在1905的裝置和裝置之間，則是傳送控制信息數(shù)據(jù)單元（Control Message Data Unit， CMDU）來交換信息，1905 CMDU可以依據(jù)1905協(xié)議中不同的信息類型（例如Topology Discovery Message、Topology Notification Message、Topology Query Message、Topology Response Message、Link Metric Query Message、Link Metric Response Message等），將信息包在TLV（Type Length Value）中做傳送。在信息轉(zhuǎn)送（Forwarding）的功能上，IEEE 1905.1a規(guī)格本身并無特別訂定Forwarding Entity的行為，而是使用IEEE 802.1 bridge實現(xiàn)。

　　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(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌∟etwork Topology），以及通知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖儯ㄈ缬行碌木W(wǎng)絡(luò)裝置增加，或是既有的網(wǎng)絡(luò)裝置脫機(jī)），也可以進(jìn)一步利用單一傳播（Unicast）方式詢問鄰近1905裝置的狀態(tài)（例如鄰近1905裝置底下有幾個網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)接口的類型等信息），也包含了底層彼此相連的網(wǎng)絡(luò)接口鏈接狀態(tài)（Link State），如遺失封包的數(shù)量、傳輸封包的數(shù)量等。

　　IEEE 1905.1a藉通用物理層技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整合

　　IEEE 1905.1a工作小組于2013年發(fā)行第一版后，隨即開始討論1905.1a修正版，期間開放且接受各方的請求，最后于2014年底發(fā)行IEEE 1905.1a正式版，最主要是制定一通用信息藉以支持額外的MAC/PHY異構(gòu)接口，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(lán)牙（Bluetooth）與其他未在IEEE 1905.1中定義的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時提高此整合機(jī)制的可用性。以下就IEEE 1905.1a新增加的CMDU，分成上層信息交換、能源管理、通用物理層支持等三大類進(jìn)行說明。

　　上層信息交換

　　上層信息請求（Higher Layer Query Message）與上層信息響應(yīng)（Higher Layer Response Message），用以交換上層信息，包含1905 AL MAC地址、信息版本、裝置識別信息、設(shè)定與控制接口之URL、裝置對應(yīng)的IP地址等。透過上層信息的交換，預(yù)期將使IEEE 1905.1a具有更好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境調(diào)適能力，并且使整個整合網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(tài)消息（Interface Power Change Information TLV/Interface Power Change Status TLV），讓彼此可以透過單一傳播達(dá)的方式，也就是利用請求（Request）、響應(yīng)（Response），達(dá)到節(jié)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(tài)，如關(guān)閉電源（PWR_OFF）、啟動電源（PWR_ON）、省電狀態(tài)（PWR_SAVE）。當(dāng)鄰近裝置接收到請求時，也會針對目前狀態(tài)做幾種響應(yīng)，如狀態(tài)改變完成（Request Completed）、狀態(tài)不須要做任何調(diào)整（No Change Made）等。

　　通用物理層支持

　　包含通用物理層查詢/回復(fù)（Generic Phy Query/Response Message）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮剿鳎═opology Discovery）等控制信息?，F(xiàn)行網(wǎng)通技術(shù)多樣，可根據(jù)應(yīng)用需求與布建環(huán)境選擇不同的通訊技術(shù)，面對如此多樣化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與應(yīng)用場景，IEEE 1905.1a提供了通用物理層的概念，此舉將使各種不同的網(wǎng)通技術(shù)得以交換物理層信息、進(jìn)行拓?fù)涮剿鳎_(dá)到能彈性整合不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目的。

　　智能家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)趨勢成形

　　智能家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，主要基于各種不同家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之整合應(yīng)用，例如以自動化系統(tǒng)控制各項家用設(shè)備，提供智能互動、保全監(jiān)控、環(huán)保節(jié)能、居家照護(hù)、云端存取、高速影音串流等等提高生活質(zhì)量的應(yīng)用。

　　隨著此趨勢之發(fā)展，各種家電用品紛紛加入聯(lián)網(wǎng)功能，使家電變得更智能且人性化。視聽娛樂設(shè)備如智能電視，更可藉由因特網(wǎng)的豐富信息與寬帶網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)裝置的熱門產(chǎn)品。同時，居家環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)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。

　　而在未來智能家電大量應(yīng)用于智慧家庭的環(huán)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(huán)境。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整合扮演了相當(dāng)重要的角色，方便且有效率地整合不同設(shè)備、通訊方式，勢必成為未來發(fā)展趨勢。

　　想象一下走進(jìn)未來智慧家庭的場景，透過感測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一進(jìn)門會有互動玄關(guān)歡迎住戶回家，同時根據(jù)時間與習(xí)慣，開啟居家空間的燈光、空調(diào)，甚至是熱水器等。走進(jìn)客廳，可能會有可與行動裝置整合的智能電視甚至是智能玻璃面板，整合多樣服務(wù)，使用者除了可以享有喜歡的數(shù)字內(nèi)容、透過體感互動滿足人對于身心靈健康上的追求，也能實時控制家中各種裝置、不漏接小區(qū)信息，掌握生活信息。書房則有觸控書桌、電子畫布、電子白板等等工作、學(xué)習(xí)用設(shè)備；廚房有智能型冰箱、可于因特網(wǎng)搜尋食譜做為調(diào)理參考的智能型調(diào)理工具等等。

　　針對更多不同需求的應(yīng)用，如居家照護(hù)需要的生命征象傳感器、空氣質(zhì)量/溫濕度傳感器等，或是關(guān)系整個家庭空間安全的設(shè)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檢測等。這些機(jī)制都有助保障生命財產(chǎn)安全。

　　而能源也是近來大家所關(guān)注的焦點，透過智能家庭網(wǎng)絡(luò)，各項家電的用電狀況以及用電比例將透過一管理機(jī)制進(jìn)行監(jiān)控分析，參考過去的使用的數(shù)據(jù)，設(shè)定適合的電力使用目標(biāo)值，讓家中電力消耗更具效率，輕松節(jié)約用電，主動省下不必要的浪費。上述這些都是現(xiàn)在與未來的發(fā)展趨勢，導(dǎo)入智能家庭網(wǎng)絡(luò)之概念，對于生活質(zhì)量將可以大幅度地提升。

　　應(yīng)用設(shè)定/網(wǎng)絡(luò)管理成智慧家庭發(fā)展兩大挑戰(zhàn)

　　居家空間多樣、可能存在特殊環(huán)境與需求等特性，帶來多變與廣泛的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需求。從傳統(tǒng)的有線以太網(wǎng)絡(luò)（Ethernet）、無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi），到ITU-T G.hn、MoCA 2.0、Homeplug 2.0、IEEE 802.15.4（ZigBee）、802.ah（Sub 1GHz）等等，皆在家庭網(wǎng)絡(luò)解決方案中角逐一席之地。對于新推出的不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之融合（Convergence）、整合機(jī)制，所面臨的挑戰(zhàn)大致上可分為建置的方便性、運作的穩(wěn)定性等兩個方面討論。

　　面對眾多的傳輸技術(shù)，在理想的狀況下，消費者可根據(jù)不同應(yīng)用層面、空間規(guī)劃等需求，選擇最適合的布建方式與傳輸技術(shù)，建立心目中理想的智能居家網(wǎng)絡(luò)。然而眾多聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的選擇難度及實施障礙，將會降低消費者建構(gòu)完整智慧家庭環(huán)境的意愿。

　　智慧家庭網(wǎng)通產(chǎn)品之消費者，不一定為具備足夠知識背景的專業(yè)人士。有鑒于此，簡化設(shè)定程序、自動化設(shè)定、按鈕配對、通用即插即用（UPnP）等設(shè)計也陸續(xù)導(dǎo)入新的產(chǎn)品中。降低布建技術(shù)門坎也有利于家庭網(wǎng)絡(luò)、智慧家庭應(yīng)用與相關(guān)系統(tǒng)之推廣，且也能降低無形的推廣成本；面對整合不同網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的需求，相關(guān)自動化設(shè)定機(jī)制的設(shè)計勢必要更有彈性，能夠精準(zhǔn)地判斷、選擇，方能建立容易使用的智慧家庭網(wǎng)絡(luò)，此在未來將成為相當(dāng)重要的課題。

　　在智能家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中，同時具有低速控制網(wǎng)絡(luò)與高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等不同性質(zhì)的應(yīng)用需求，如何有效率地使用各種傳輸特性不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為關(guān)鍵的重點。例如在家庭娛樂的部分，隨著高畫質(zhì)影音網(wǎng)絡(luò)串流需求急遽增加，從Full-HD到Ultra-HD的影音傳輸，因所需的帶寬更大，以至于需要更快速的傳輸技術(shù)，加上不同裝置同時分享相同串流內(nèi)容等需求，高速多任務(wù)是一大挑戰(zhàn)。同時，關(guān)系于家庭節(jié)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理也是使用一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的重要挑戰(zhàn)。

　　由于不同的通訊媒介具有不同的帶寬、延遲（Latency）、抖動（Jitter）、通量（Throughput）及損耗（Loss）等特質(zhì)，異構(gòu)家庭網(wǎng)路管理的重要問題之一便是服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service， QoS）的控制，亦即針對每一個應(yīng)用的需求，同時顧及聯(lián)機(jī)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、傳輸速度、傳輸延遲等等的各種可能影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶用?，選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵜浇榕c相關(guān)傳輸控制策略，使所有應(yīng)用皆能享有穩(wěn)定且有效率的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　　在家庭網(wǎng)絡(luò)中，各種不同的應(yīng)用也日趨普及。從最基本的數(shù)據(jù)分享、通訊、影音娛樂，到智慧家電控制，或是結(jié)合各種感測技術(shù)的節(jié)能、安全、居家照護(hù)等等先進(jìn)應(yīng)用。透過1905.1與其增修版本——1905.1a，將有助于上述智慧家庭的實現(xiàn)，無論是支持不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的整合、提高傳輸效能等面相，皆提出了對應(yīng)的解決方案。有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)幾乎都是單一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特性，不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有的不同特性，例如不同的帶寬、空間規(guī)劃對無線信號的影響、家電對于電力線相同回路的干擾等問題，同時也須兼顧對于一般消費者的易用性與整體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自我調(diào)適能力與穩(wěn)定性。上述皆為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整合后將帶來的愿景與挑戰(zhàn)，值得持續(xù)關(guān)注與期待。