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G.hn技術發展與趨勢
   
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  作者:資訊工業策進會 發表於2012/11/22 上午 01:37:57
 

 

G.hn技術發展與趨勢

作者:資策會市場情報研究所:鍾曉君

資策會智慧網通系統研究所:兆天佑、黃麗芳、王吳祺

因應家庭聯網應用與市場之需求,目前已經有數個支援之技術與標準,包含MoCA、HomePlug以及G.hn等相關技術,其中G.hn是ITU聯盟所發展之電信級標準規範,因此本文將針對G.hn的市場發展以及技術內容進行介紹,並討論G.hn未來發展之趨勢與挑戰。

G.hn技術介紹

G.hn標準制訂

G.hn是關於家庭電話線、電源線和同軸電纜的一套協定規範,起初由Intel發起,此後ITU負責制定,目前則由Home Grid Forum推廣。未來供應商可以參照該標準提供相應的網路硬體,並足以應付家庭所需的寬頻,包括PC、電視、藍光播放機等,進而實現家庭內部高畫質電視節目傳輸。

同時,採用G.hn標準之設備允許用戶自行安裝,而不需要任何附加費用,故可透過降低安裝費用來擴大市場滲透率及民眾接受度。G.hn可提供相當於目前無線網路技術輸送量的20倍速率,也可以提供有線家用網路的3倍速率,最高理論傳輸速度可達1Gbps,而實際傳輸速率則依傳輸媒介的差異而有所不同,利用同軸電纜傳輸時速率為700Mb/s,電話線傳輸速率為500Mb/s,電源線為300Mb/s。

而G.hn於2010年6月11日通過ITU-T認證成為正式標準,主要包含三層元件:實體層標準(G.hn PHY,G.9960)、資料連結層標準(G.hn DLL,G.9961)、以及使未來採用G.hn標準的產品能與使用其他標準的設備互通之共存協議標準(G.cx,G.9972)皆已宣告完成。值得注意的是,在G.hn的制訂過程中,由於必需滿足電話線、電源線和同軸電纜三種傳輸介質,而電源線是其中最為複雜的一塊,若能滿足電源線通訊的需求,基本上滿足電話線與同軸電纜便無太大阻礙。因此,G.hn的技術實際上是以電源線技術為基礎進一步擴展的。從PHY層規範觀察,更可發現其調變(Windowed OFDM)、子載波技術等都是以電源線現有的標準為基礎。

G.hn網路架構介紹

G.hn的網路架構模型中可包含一至多個Domain,其間以Inter-domain bridge橋接(Inter-domain bridge為節點(Node)的AE層的可附加功能),Domain另可橋接至Wi-Fi、Ethernet等家庭網路,也可橋接至DSL或PON等接取網路。

從圖一中可發現,Global master的功能主要用來協同調整資源的使用,如頻寬的保留、服務流的優先傳送、遠端管理系統的溝通。而Domain可包含多個節點,這些節點的連接都是透過相同的傳輸媒介,而其中會有一個節點會成為Domain master的角色。因此,同一Domain中的節點彼此溝通前,這個Domain master必須要先存在。而如果不同Domain間的節點要互相溝通時,需要透過Inter-domain bridge才能溝通。

在效能上,Domain必須支援最少32個節點同時註冊進入Domain中,並且最多可以選擇性的支援到250的節點;此外,每個節點都必須支援到同時間能跟最少8個節點溝通。

 

G.hn通訊協定層簡介

G.hn協定的參考模型則包含3個主要的參考點:Application interface(A-interface)、Physical medium-independent interface(PMI)與Medium-independent interface(MDI);而在Data link layer與PHY layer中另包含x1、x2與α、δ參考點。

MDI為一個實體的介面,其規範了傳輸媒介上傳送實體的信令(Signalling)以及接取傳輸媒介。PMI介面其本身獨立於傳輸媒介與上層的應用,定義了某些功能的流向與邏輯的信令,為一個功能的介面。A-interface則根據使用者應用協定而定(例如:IP或Ethernet),其為G.hn通訊協定與使用者應用協定間的介面。而x1、x2與α、δ參考點則有各自的功能流向與邏輯信令,並且與傳輸媒介的類型獨立。

G.hn裝置在資料傳送前會先根據MAP所描述的MAC cycle判斷與決定是否能傳送資料、能傳送多少資料,而節點可根據MAP的描述決定透過STXOP或CFTXOP傳送資料。然傳送的資料主要以PHY frame承載,PHY frame包含Header及Payload,Header中描述了此PHY的類型、Domain編號、傳送端與接收端、傳送時間長度等重要資訊。

Payload即為一MPDU,節點必須根據MAP的描述來決定要傳送多大的MPDU。一個MPDU中包含一至多個LPDU,同一個MPDU中的LPDU大小均相同,意即所有欲傳送的資料都會被組合與切割為相同大小的Segment,而此做法有助於處理資料的重傳。此外,每個LPDU中包含LPDU header、切割出的Segment、以及LPDU CRC資訊,LPDU header中包含重傳與重組資料所需的資訊,LPDU CRC則為根據LPDU所算出的CRC值,接收端收到此LPDU時可根據此CRC值與自己算出的值來判斷資料有無錯誤。 

G.hn MIMO簡介

為了進一步提升G.hn的運行效能與應用,ITU-T持續進行其他附加標準之制訂,包括為了克服電源線干擾問題,利用電源線的地線進行傳輸的多輸入多輸出(Multi-input Multi-output ; MIMO)標準(G.hn MIMO,G.9963)、管理與診斷協議標準(G.hn Management,G.9962)、以及針對智慧電網應用所制訂之能量管理規格標準(G.hnem,G.9955),相關標準的制訂已相繼抵定。

而著眼於家庭網路對頻寬、傳輸速率及佈建成本的苛求,G.hn擴增支援至2×2多重輸入多重輸出(MIMO),藉由MIMO技術,將可拓展家庭網路的覆蓋範圍,提高網路的抗干擾性,提供更高的吞吐率進而有效刺激傳輸速率,促使家庭聯網設備供應/開發業者的導入意願提升

 

G.hn市場趨勢發展態勢

晶片發展現況

隨著G.hn標準的抵定,2010年底家庭聯網相關晶片業者陸續推出G.hn晶片,網通業者亦開始著手進行G.hn相關設備的研究與開發,未來不僅提供G.hn聯網終端,更會進一步將G.hn晶片整合到各個家庭聯網終端設備當中。目前,加入HomeGrid Forum的晶片業者有12家,除了身為領導業者的Intel、Lantiq、Marvell、Sigma Designs等,台灣晶片業者也積極參與,包括義傳(Metanoia)、九暘電子(IC Plus)也是會員之一。此外,已經開始投產的主要晶片商包括Marvell、Sigma Designs以及Lantiq。

晶片商Sigma Designs於2010年10月底宣佈其設計了全球第一款支持G.hn標準之SoC晶片。該公司針對G.hn標準晶片之開發,投入了40%的人力物力在該標準上,其所開發出的G.hn晶片解決方案套件包含CG 5113類比前端晶片(Analog Front End ,AFE)以及G.hn主晶片—CG 5110。Sigma Designs亦領先其他晶片業者,在G.hn over power line的傳輸部分,利用ClearPath Extreme™技術將電源地線作為MIMO通道,從而拓展覆蓋範圍、提高網路抗干擾性,進而拉抬聯網效能,增加數據傳輸率。此外,不但支持同時連接多種介質下,實現自動選擇和確保聯網之應用, 也支援對G.hn所支援、共存之技術(包含G.hn、HomePNA和HomePlug AV)及其對應傳輸介質(電源線、同軸電纜和電話線)的自動檢測。

 

而Lantiq購併Aware獲得G.hn相關研發技術後,於2011年1月的CES展中推出該公司符合G.hn標準之系列晶片—Lantiq XWAY HNX100(包含HNX156與HNX176兩款主晶片,以及HNX 103 AFE晶片)。而Lantiq的XWAY HNX系列標榜擁有四大強化技術:1) 提供End-to-End電信級傳輸服務品質,使服務運營商可為家庭網路選擇服務優先次序的XWAY STREAM;2) 可為VDSL和G.hn網路協調優化傳輸性能的頻譜管理技術--XWAY HARMONY;3)  XWAY PROBE技術,可進行即時診斷家庭聯網資訊,使服務運營商在複雜的用戶聯網環境下,掌握最佳化的網路性能;4) 最後,則是可透過即時聯網品質資訊,自動為家庭聯網選擇採用G.hn、802.11n或乙太網路等最適通訊路徑,且避免雜訊的XWAY PATH FINDER技術。

值得關注的業者除了包括已經推出晶片的Sigma Designs以及Lantiq以外,於2010年購併DS2的Marvell也於2011年1月加入HomeGrid Forum,期望藉由過去DS2在G.hn晶片技術上的成就,順利進入開發G.hn規格標準產品之領域,進而推出更適合家庭需求之家庭聯網晶片產品。雖然相較於Sigma Designs、Lantiq與義傳,Marvell在G.hn晶片開發進度上略微落後,但該公司的G.hn晶片甫一推出便提供了相對於其他業者更完整的解決方案,不但支援MIMO,更支援了G.cx標準。2012年六月初,中國網通大廠中興更推出了第一台採用Marvell G.hn晶片的終端產品,其型號稱為ZXHNH505。這也使得Marvell在G.hn相關產品發展藍圖與其G.hn技術的研發潛力更受到各方關注。

 

此外,台灣本土晶片業者--義傳,也積極地開發G.hn系列晶片,目前該公司預計推出G.hn AFE MT 3501以及G.hn DMT MT 2501晶片套件,該公司預計其晶片組在第一階段將主要應用在G.hn橋接器上頭或是整合在Home Gateway、Wi-Fi Router等聯網終端中;第二階段則直接整合在各類聯網設備(如電腦、聯網印表機)、家電產品(電視、藍光播放器等)裡頭。

晶片互通性測試現況

而為了充分展現G.hn目前的發展成果,以及主要晶片業者之G.hn晶片解決方案的設計純熟度,2011年5月23日到27日HomeGrid Forum與Broadband Forum聯合在瑞士日內瓦的ITU-T全球總部主辦第一次G.hn開放式互通性插拔測試大會(Open G.hn Interoperability Plugfest)。結合上述四家主要G.hn的晶片業者進行互通性測試,進而確保未來網通設備業者對各家G.hn晶片產品之選擇性。而此次插拔大會,無疑地展現出各晶片業者之G.hn規格產品之間的相容互通性,印證了G.hn不再只是白紙黑字的規格標準,而是擁有立即運用的實際晶片解決方案。

直至2012年5月,「亞洲區首次G.hn互通測試與技術國際交流會」在台灣舉辦,各家晶片業者平台間互通性測試結果受到HomeGrid Forum之認可,並進一步地完備了往後G.hn晶片互通認證機制。根據此認證機制,未來包括K-Micro、Tango Tec與Xingtera等後進G.hn晶片業者,都可參考此機制滿足G.hn晶片互通之需求。最後,HomeGrid Forum亦在本屆Computex 2012展會所舉辦的國際研討會中宣佈「HGF G.hn全球認證計畫」正式啟動,並預計於2012年9月份開始推行HGF認證標章,只要業者的G.hn晶片、終端等產品能通過HGF之認證即可獲得。這也展現出G.hn相關晶片與終端產品的開發、製造與量產階段近在咫尺,預期在2012年底到2013年初之間將有初步成果,部份通過G.hn認證產品即將問世。

HomeGrid Forum發展現況

隨著G.hn晶片紛紛問世,且主要晶片業者通過互通性測試,相關晶片與設備也陸續推入市場,使得各方對G.hn技術的後續發展更將引頸以待。而身為推廣G.hn標準發展的主要組織—HomeGrid Forum不遺餘力地持續推動相容與互通性驗證計畫(Compliance and Interoperability certification program)的同時,並與TRaC合作成立針對G.hn標準之產品設備驗證測試機構,由TRaC直接與晶片業者和家庭聯網設備業者合作進行產品的驗證,確保相關晶片與產品符合G.hn標準,並且能與其他業者所提供的晶片與設備共存、互通,期望讓TRaC認可的晶片產品獲得HomeGrid Forum的認證標誌。

而有鑑於G.hn技術的發展態勢越來越明確,市場對家庭聯網應用必須整合多項技術以實現各種服務,以及對於用戶寬頻傳輸的需求,促使北美主要電信業者—AT&T在2011年6月初正式加入HomeGrid Forum,成為董事會成員之一。AT&T加入的主因除了對G.hn的後勢發展抱以期待外,主要原因還有過去AT&T推展U-Verse服務同時,為了提供用戶完整的家庭聯網服務,主要採用Home Phoneline Networking Alliance的標準(約有九成家庭聯網服務用戶採用),尤其是發展至可支援320Mbps傳輸速率的HomePNA 3.1。

HomePNA 3.1不但支援過去以電話線為媒介傳輸,也支援以同軸電纜作為傳輸媒介,然在實際應用中,若要顧及家庭電話線的品質,並相容xDSL頻段,特別是低頻段的VDSL2等因素,故採用HomePNA標準的業者,有九成以上都運行在同軸電纜環境中,因此,AT&T多是使用同軸電纜來進行家庭聯網應用。目前僅有Sigma Designs提供HomePNA標準的晶片解決方案,隨著該公司將以G.hn逐漸取代HomePNA,促使AT&T對未來家庭聯網技術的採用也將隨之移轉。

在此之前,支持G.hn標準並且是董事會成員的主要電信業者還有英國的英國電信(British Telecommunications,BT)、西班牙大型跨國電信業者—Telefonica。而台灣方面,中華電信亦持續關注G.hn的發展態勢,為隨時掌握G.hn的趨勢脈動,更加入HomeGrid Forum,成為會員之一。而除了電信業者以外,HomeGrid Forum的成員也包括零售業代表Best Buy;2012年1月Motorola Mobility也加入了HomeGrid Forum,期望未來可藉由G.hn技術發展”多螢影音管理”、軟體應用與服務與聯網配套設備,以達成”連結家庭與行動生活”之發展策略目標。

G.hn發展趨勢與挑戰

對於G.hn產品開發的業者而言,由於G.hn的標準已趨於完備,晶片業者除已通過互通性測試,功能亦因後續標準的完成而更加完整,而其運用現有線路作為傳輸網路及具備高頻寬傳輸能力的特性,使網路建置相當容易,並且可發展出各種不同的應用。而G.hn的發展趨勢大致有以下幾個方向:

  • G.hn直接透過電力線傳輸網路訊號,節省Last Mile建置成本。
  • G.hn技術逐漸純熟與相關產品產出將帶動相關服務發酵,IPTV service為首要服務。
  • 可挾帶高頻寬的傳輸能力,帶動家庭網路朝整合性發展,相關產品例如IP STB、Home Gateway、Femtocell的市場需求將大為提高。
  • G.hn持續發展G.hn AMI與G.hnem等技術標準,將可快速切入未來Smart Grid Application的龐大效益。
  • 以單一G.hn技術標準來溝通各種家庭設備,可同時支援多項應用,也將帶動與無線廣域網路的整合,朝向無縫連接而產生更豐富應用。
  • G.hn能有效深化物聯網產業的基礎建設,帶動整體產業效益。

然而,即便G.hn的發展有上述幾條主要路線,但值得持續關注的是,當現階段市面上其他成熟的家庭網路技術已各踞山頭,G.hn雖然能同時支援多種傳輸媒介與高頻寬,並以此為優勢之一,但畢竟是家庭聯網市場的初生之犢,面臨HomePlug、MoCA與IEEE 802.11系列無線技術等列強環伺,尤其是其中已掌握電源線家庭聯網市場大半江山的HomePlug陣營,G.hn晶片與終端的上市勢必需要經歷一段激烈競爭,再加上IEEE P1905.1標準的出現,將HomePlug、MoCA、Ethernet與IEEE 802.11等標準加以整合,也將使得 G.hn在未來的發展路程中與其他標準有一番激烈角力。

也因此,為了建立在家庭聯網市場中的地位,讓G.hn技術佔有一席之地,G.hn陣營更應同心協力,藉由扶植更多晶片廠商投入相關聯網晶片與平台開發,並協助與PC、家電與消費性電子等領域的終端廠商共同發展新型態家庭聯網的整合型產品,再透過寬頻服務商推出新興應用服務,方能在與其他家庭聯網標準陣營之間的競爭中開創市場機會。

 
分類:光纖暨寬頻網路/光纖幹線網路
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