加速构筑智能家庭网络 IEEE 1905.1a融合有/无线传输

Royliang

              
                                                       
        

作者：刘邦复/江肇元/翁浩耿/董一志  本文作者皆任职于资策会智通所
目前智能型电视、手机等终端装置的使用量逐年增加，各种网络技术在家中可说随处可见。透过家庭中的无线网络，在家中将可以更轻松地在自己喜欢的位置使用各种上网装置；有线网络则提供了更高的带宽(Bandwidth)以及质量，甚至是透过家中的插座，都可以利用电力线随时随地使用网络。
上述这些网络技术大众并不陌生，在现今生活也都广泛地被使用，因此也促使电子电机学会(IEEE)开始订定汇聚这些不同标准的网络技术标准--IEEE 1905.1a。
本篇文章将从IEEE针对家庭异质网络汇聚技术的技术层面开始介绍，亦即IEEE 1905.1a标准架构论述、IEEE 1905.1与IEEE 1905.1a的差异性，并藉由技术面的概述，进而探讨家庭异质网络的发展、应用层面，以及智能家庭异质网络普及之后所面临的挑战。
IEEE 1905.1a标准架构论述
IEEE 1905.1a主要针对传统的数据连接层(Data-link Layer)扩增定义抽象层(Abstraction Layer)的概念，存在于物理层(Physical Layer)与网络层(Network Layer)之间，同时也可以称做虚拟媒介访问控制层(Virtual MAC Layer)，如图1所示；以下将之简称为1905 AL(1905 Abstract Layer)。


数据源：资策会智通所自行绘制

图1　虚拟媒介访问控制层

以图2抽像层模型来看，介于上层(LLC)与下层(MAC)之间的灰色区块即是1905 AL，1905 AL汇聚了不同网络技术，从LLC往下层看，可以透过1905 AL MAC address来识别，亦即利用AL MAC address识别一个1905的装置(以及此装置是否为1905装置)。


数据源：IEEE Std 1905.1a 2014

图2 抽象层模型

而从MAC/物理层(PHY)往上层看，1905 AL底层包含了不同网络技术的MAC address，其主要利用1905 Interface SAP与底下各个不同网络技术介接(如IEEE 802.1、IEEE 802.11、IEEE 1901、MoCA等)，在1905.1a的标准规格中，并没有要求修改底层的网络技术，因此不须要改变任何底层网络技术的行为或是实作方式，也可以与旧有的通讯标准兼容。
在1905的装置和装置之间，则是传送控制讯息数据单元(Control Message Data Unit, CMDU)来交换讯息，1905 CMDU可以依据1905协议中不同的讯息类型(例如Topology Discovery Message、Topology Notification Message、Topology Query Message、Topology Response Message、Link Metric Query Message、Link Metric Response Message等)，将讯息包在TLV(Type Length Value)中做传送。在讯息转送(Forwarding)的功能上，IEEE 1905.1a规格本身并无特别订定Forwarding Entity的行为，而是使用IEEE 802.1 bridge实现。
透过1905 CMDU的交换，可以让1905装置透过群播(Multicast)的方式建立家庭网络的网络拓扑(Network Topology)，以及通知网络拓扑的改变(如有新的网络装置增加，或是既有的网络装置脱机)，也可以进一步利用单一传播(Unicast)方式询问邻近1905装置的状态(例如邻近1905装置底下有几个网络接口、网络接口的类型等信息)，也包含了底层彼此相连的网络接口链接状态(Link State)，如遗失封包的数量、传输封包的数量等。
IEEE 1905.1a藉通用物理层技术实现异质网络整合
IEEE 1905.1a工作小组于2013年发行第一版后，随即开始讨论1905.1a修正版，期间开放且接受各方的请求，最后于2014年底发行IEEE 1905.1a正式版，最主要是制定一通用讯息藉以支持额外的MAC/PHY异质接口，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、蓝牙(Bluetooth)与其他未在IEEE 1905.1中定义的网络传输技术标准，同时提高此整合机制的可用性。以下就IEEE 1905.1a新增加的CMDU，分成上层信息交换、能源管理、通用物理层支持等三大类进行说明。
．上层信息交换
上层信息请求(Higher Layer Query Message)与上层信息响应(Higher Layer Response Message)，用以交换上层信息，包含1905 AL MAC地址、讯息版本、装置识别信息、设定与控制接口之URL、装置对应的IP地址等。透过上层信息的交换，预期将使IEEE 1905.1a具有更好的网络环境调适能力，并且使整个整合网络环境在运作上更具有效率。
．能源管理
透过1905装置之间交换的能源状态消息(Interface Power Change Information TLV/Interface Power Change Status TLV)，让彼此可以透过单一传播达的方式，也就是利用请求(Request)、响应(Response)，达到节能省电的目的，例如透过Interface Power Change Information可以要求邻近装置几种使用能源的状态，如关闭电源(PWR_OFF)、启动电源(PWR_ON)、省电状态(PWR_SAVE)。当邻近装置接收到请求时，也会针对目前状态做几种响应，如状态改变完成(Request Completed)、状态不须要做任何调整(No Change Made)等。
．通用物理层支持
包含通用物理层查询/回复(Generic Phy Query/Response Message)、网络拓扑探索(Topology Discovery)等控制讯息。现行网通技术多样，可根据应用需求与布建环境选择不同的通讯技术，面对如此多样化的网络环境与应用场景，IEEE 1905.1a提供了通用物理层的概念，此举将使各种不同的网通技术得以交换物理层信息、进行拓扑探索，达到能弹性整合不同网络技术的目的。
智能家庭异质网络趋势成形
智能家庭异质网络的发展，主要基于各种不同家庭网络技术之整合应用，例如以自动化系统控制各项家用设备，提供智能互动、保全监控、环保节能、居家照护、云端存取、高速影音串流等等提高生活质量的应用。
随着此趋势之发展，各种家电用品纷纷加入联网功能，使家电变得更智能且人性化。视听娱乐设备如智能电视，更可藉由因特网的丰富信息与宽带网络的普及，带来更缤纷的使用体验，满足使用者的多样化需求，而成为近年联网装置的热门产品。同时，居家环境的网络取用方便性，也可以让亲友之间的通讯变得更加便利，拉近人与人之间的距离。
而在未来智能家电大量应用于智能家庭的环境中，会有许多智慧互动空间，包含客厅、书房、厨房、卧室，甚至是庭园等等的智慧环境。异质网络整合扮演了相当重要的角色，方便且有效率地整合不同设备、通讯方式，势必成为未来发展趋势。
想象一下走进未来智慧家庭的场景，透过感测网络技术，一进门会有互动玄关欢迎住户回家，同时根据时间与习惯，开启居家空间的灯光、空调，甚至是热水器等。走进客厅，可能会有可与行动装置整合的智能电视甚至是智能玻璃面板，整合多样服务，使用者除了可以享有喜欢的数字内容、透过体感互动满足人对于身心灵健康上的追求，也能实时控制家中各种装置、不漏接小区讯息，掌握生活信息。书房则有触控书桌、电子画布、电子白板等等工作、学习用设备；厨房有智能型冰箱、可于因特网搜寻食谱做为调理参考的智能型调理工具等等。
针对更多不同需求的应用，如居家照护需要的生命征象传感器、空气质量/温湿度传感器等，或是关系整个家庭空间安全的设备，如瓦斯侦测/遮断器、烟雾侦测器、警报按钮、红外线或超音波入侵检测等。这些机制都有助保障生命财产安全。
而能源也是近来大家所关注的焦点，透过智能家庭网络，各项家电的用电状况以及用电比例将透过一管理机制进行监控分析，参考过去的使用的数据，设定适合的电力使用目标值，让家中电力消耗更具效率，轻松节约用电，主动省下不必要的浪费。上述这些都是现在与未来的发展趋势，导入智能家庭网络之概念，对于生活质量将可以大幅度地提升。
应用设定/网络管理成智能家庭发展两大挑战
居家空间多样、可能存在特殊环境与需求等特性，带来多变与广泛的网络环境需求。从传统的有线以太网络(Ethernet)、无线局域网络(Wi-Fi)，到ITU-T G.hn、MoCA 2.0、Homeplug 2.0、IEEE 802.15.4(ZigBee)、802.ah(Sub 1GHz)等等，皆在家庭网络解决方案中角逐一席之地。对于新推出的不同网络技术之汇聚(Convergence)、整合机制，所面临的挑战大致上可分为建置的方便性、运作的稳定性等两个方面讨论。
面对众多的传输技术，在理想的状况下，消费者可根据不同应用层面、空间规划等需求，选择最适合的布建方式与传输技术，建立心目中理想的智能居家网络。然而众多联网技术标准构成的选择难度及实施障碍，将会降低消费者建构完整智慧家庭环境的意愿。
智能家庭网通产品之消费者，不一定为具备足够知识背景的专业人士。有鉴于此，简化设定程序、自动化设定、按钮配对、通用即插即用(UPnP)等设计也陆续导入新的产品中。降低布建技术门坎也有利于家庭网络、智能家庭应用与相关系统之推广，且也能降低无形的推广成本；面对整合不同网络通讯技术的需求，相关自动化设定机制的设计势必要更有弹性，能够精准地判断、选择，方能建立容易使用的智能家庭网络，此在未来将成为相当重要的课题。
在智能家庭异质网络的架构中，同时具有低速控制网络与高速数据传输网络等不同性质的应用需求，如何有效率地使用各种传输特性不同的联网技术为关键的重点。例如在家庭娱乐的部分，随着高画质影音网络串流需求急遽增加，从Full-HD到Ultra-HD的影音传输，因所需的带宽更大，以至于需要更快速的传输技术，加上不同装置同时分享相同串流内容等需求，高速多任务是一大挑战。同时，关系于家庭节能的低速控制部分也要能维持正常运作，在此场景下，除了通讯媒介整合之外，有效进行网络管理也是使用一个异质网络的重要挑战。
由于不同的通讯媒介具有不同的带宽、延迟(Latency)、抖动(Jitter)、通量(Throughput)及损耗(Loss)等特质，异质家庭网络管理的重要问题之一便是服务质量(Quality of Service, QoS)的控制，亦即针对每一个应用的需求，同时顾及联机稳定性、数据传输的正确性、传输速度、传输延迟等等的各种可能影响网络传输的层面，选用适当的通讯媒介与相关传输控制策略，使所有应用皆能享有稳定且有效率的网络传输。
在家庭网络中，各种不同的应用也日趋普及。从最基本的数据分享、通讯、影音娱乐，到智慧家电控制，或是结合各种感测技术的节能、安全、居家照护等等先进应用。透过1905.1与其增修版本--1905.1a，将有助于上述智慧家庭的实现，无论是支持不同网络技术的整合、提高传输效能等面相，皆提出了对应的解决方案。有别于传统网络几乎都是单一网络技术的特性，不同网络技术具有的不同特性，例如不同的带宽、空间规划对无线讯号的影响、家电对于电力线相同回路的干扰等问题，同时也须兼顾对于一般消费者的易用性与整体网络环境的自我调适能力与稳定性。上述皆为异质网络整合后将带来的愿景与挑战，值得持续关注与期待。

RM爱好者

好文章，谢谢