家庭網路的優勢

家庭網路能提供使用者前所未有的潛力，進而分享彼此間網路互連裝置的資訊內容。這項趨勢就是所謂的數位整合（digital convergence），能讓每個人可以連線至任何裝置，並快速安全地傳佈資訊內容。為了裝設家庭網路（Home Network）分享影音數位資訊內容，消費者可以選擇利用家中現有的線路 ，或是在家中重新鋪設費時又昂貴的CAT5規格Ethernet乙太網路線。

電力線乙太網路（Ethernet over Powerline；EoP）技術，可讓既有電力線搖身一變成為數位資訊內容的高速傳輸通道。然而，現有頻寬不足的技術，也是造成限制的瓶頸之一，許多使用者希望能有一套解決方案，可以在電視上觀看高畫質數位內容。

本文將描述以全球電線協會（Universal Powerline Association；UPA）的數位家庭規格（Digital Home Specification；DHS）為基準的EoP基本技術原理，並比較UPA技術與其他EoP技術的差異。UPA組織的主要工作目標，是為提升電力線技術的影響力。UPA技術提供高達200Mbps的頻寬，特別適合數位家庭高畫質視訊內容的傳輸。

多媒體視訊時代

資訊數位化影響力日益普及，越來越多的內容可從網路上取得。資訊數位化的革新主要是受到科技公司、媒體工作室、以及消費者三方所推動而成。

目前Apple、Movielink與Amazon等正在開發類似iTunes的技術平台，在網際網路上傳遞數位資訊內容。媒體工作室也逐漸接受資訊內容散佈在網路的事實。美國NBC與ABC兩家電視台都開始在自己網站上，重播當紅的電視劇系列，加上YouTube的推波助瀾，消費者正興致盎然地加入線上數位革命的行列，在網路世界中建立並主導自己的資訊內容。

從相片與MP3音樂檔案開始，高畫質（HD）與標準畫質（Standard Definition）隨之席捲世界，HDTV也跟著暢銷，許多市售的高畫質電視都可以顯示高畫質數位資訊內容。

不過PC與電視之間的數位隔閡依舊存在，將電腦連接至家中的HDTV觀看並非方便之道，裝設家庭網路便能解決這個問題。

《圖一　未來的智慧家庭示意圖。》

建置家庭網路克服侷限性

高畫質視訊需要更高的頻寬與可預期的服務品質（QoS），以滿足最佳的收視效果，若要讓家中的連網裝置之間共享資訊內容，家庭網路的功能相當適合。家庭網路是一種區域網路（local area network），可讓住戶自由設定家中電腦、HDTV、媒體中心、智慧型裝置與其他任何數位設備之間的連線。目前最常見的家庭網路是屬於Wi-Fi類型的無線網路，擁有足夠的頻寬，因此，消費者就可藉由有線媒介裝置，架設可共享高畫質資訊內容的家庭網路。

目前有線家庭網路形式，包括重新鋪設家中的CAT5乙太網路纜線，或利用既有線路如電力線、電話線、及同軸纜線等。這些家庭網路的比較分析，如(表一)所示。

消費者為了共享高畫質視訊內容，而在裝置家庭網路時有多種選擇。其中使用電力線乙太網路（Ethernet-over-Powerline）技術，經由電力線傳輸高畫質視訊，算是最經濟的方式，因為電源插座隨處皆有，而且電力線網絡的架設也十分簡易。重新佈建家中CAT5乙太網路纜線，通常既昂貴又費時，而且也可能嚴重破壞家中的裝潢擺設。

EoP的技術優勢

由於電力線乙太網路（EoP）特別適合家中住戶使用，目前已成為最常用來取代其他家庭網路的技術。其技術優勢包括：

隨處可得

電力線可說無所不在，全球的輸電網是當今佈建最廣泛的銅線網絡，家中的每個房間通常都有多個電源插座，但卻只會有一個電話線或同軸纜線的插座。電力線網路技術將可使住戶家中的每個插座搖身一變成為網路插孔，也將家中既有的線路變成具備網路連線的功能。

容易架設與使用

EoP產品皆為隨插即用型的裝置，無須麻煩又昂貴的重新佈線工程。消費者只要購買EoP轉換器插頭，回家將轉換器插上電源插座即可使用。轉換器插頭會自動尋找位於電力線網路中的其他同類裝置，並且隨時準備進行通訊。

具備高效能

電力線網路解決方案目前可支援高達200Mbps的傳輸速率以及多種服務品質（QoS）層級，頻寬特別適合串流高畫質與標準畫質的視訊傳輸需求。

具資安防護功能

無線網路的資訊安全可能受到威脅，而電力線網路則提供兩層的資訊內容安全保護。有心者即便潛入家中並插上電源插座，電力線乙太網路技術還有內建加密功能，使所有在電力線網路上流通的資料，都享有最大的安全性。

可靠度高

多數的無線網路在設計上主要是支援資料短時密集（bursty）的網路流量；至於隨選串流視訊，若不先暫存大量資料，在支援這類流量就會產生困難。EoP技術是專為高畫質視訊傳輸所設計，其中採用分時多重存取（Time Division Multiple Access；TDMA）技術來分配頻寬，有別於Wi-Fi網路中所採用的載波感測多重存取（Carrier Sense Multiple Access；CSMA）技術。TDMA能保證視訊傳輸時的頻寬。

電力線乙太網路（EoP）基本技術原理

歷史演進

在EoP系統中，原本在家中用來分配電力的銅線，也能被用來傳輸數位資料。該系統傳統運作方式，是在電力線交流電訊號上，再疊上載波調變訊號。利用電力線作為數據通訊媒介，其概念約出現在1970年代，直到1990年代末期，EoP技術仍處於低速率規格，只能用來在電力線上傳輸控制訊號。

後來運用先進的數位通訊技術、並搭配新的演算法，可以克服電力線通道上的雜訊，並讓電力線成為高速數位資訊內容的傳輸管道。加上1970年代起，矽電晶體成本大幅降低，使得這些運算密集的演算法得以建置在單晶片上。上述技術的突破，也讓用戶能以合理的價格，享受寬頻EoP技術服務。

EoP技術大要

EoP系統中的發送器（transmitter）可以將電腦或任一網路連線裝置上的數位資料，轉換成為類比的線路資料，並將其附加到電力線上。如此，在接收端就會把電力線上附帶的類比線路資料，轉換成數位訊號，再傳送至相對應的裝置上。一般電力線通訊技術的方塊圖，如(圖二)所示。

《圖二　一般的數位通訊系統方塊圖。》

UPA的EoP技術

以全球電線協會（Universal Powerline Association；UPA）所提出的EoP技術為例，UPA數位家庭標準（Digital Home Standard；DHS）規範是專為已管理或未管理的家中電力線網路所設計。該技術是基於主從（Master-Slave）控制所設計的架構，並採用點對點（peer-to-peer）的資料傳輸架構。(圖三)所示為UPA DHS實體層的方塊圖。

《圖三　UPA DHS電力線乙太網路實體層方塊圖。》 - BigPic:606x283

使用電力線網路作為數據通訊媒介時，仍面臨幾項技術挑戰。UPA的EoP技術，能提供高達200 Mbps的傳輸速率，克服這些挑戰，進而支援高畫質視訊傳輸。

UPA如何克服電力線通訊難題

電壓突波

有人錯誤理解EoP技術因為利用電線作為通訊管道，因此效能多少會受電源訊號品質的影響，進而導致消費者擔心電線中的電壓突波，是否會影響以EoP為架構的家庭網路效能。

事實上，UPA的DHS實體層，在電線中運作頻率為2MHz至32MHz範圍之間，如(圖四)所示，而家中交流電通常是介於50Hz或60Hz之間，這必須視用戶所居住的地區而定。所以使用2MHz到32MHz電力線的頻段，可確保數位資料訊號不易受電壓突波或50Hz／60Hz頻段起伏的影響。

《圖四　電力線頻譜使用示意圖》

電線雜訊

電線通道上的雜訊是以電力線作為數據通訊媒介時的最大挑戰。在UPA的EoP技術中，可利用下列方法來解決電力線中雜訊干擾的問題：

強化調變技術

UPA的EoP技術採用1536個載波的正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；OFDM）調變方式，每個子載波各自獨立的調變密度，從2位元到10位元不等。

頻繁的通道評估

電力線通道會受到果汁機或其他家電用品所造成的突發性雜訊所干擾。不過UPA的EoP技術，會利用發送器與接收器之間傳輸訓練資料（training data），進行頻繁的通道評估。EoP裝置可利用通道評估所得的資訊，判斷受到雜訊干擾的部分，一旦偵測到雜訊，發送器就會執行適應性位元分配（Bit Loading），以確保電力線頻譜的最佳化狀態。

適應性位元分配（Bit Loading）

適應性位元分配是依據每個載波的通道品質參數，進而即時適應性調整每對發送／接收器的調變參數。根據每個載波上所量測到的訊雜比（signal-to-noise ratio），選擇最佳化調變方式，達到最高的傳輸速度，並維持低比例的位元錯誤率（Bit Error Rate；BER）。如此，其他連線裝置可能造成的干擾就會降至最低。

順向錯誤更正（Forward Error Correction）

採用順向錯誤更正方法時，發送器會送出足夠的資訊，一旦資料受雜訊干擾而遺失時，接收端仍可將還原既有傳送資料，無須重送原始資料。UPA的DHS規格中的順向錯誤更正，採用的是動態Reed-Solomon編碼方式。

所需電源低

無論電線是否有電，UPA的EoP技術都能正常運作。只要能供應電力線網路晶片組所需電源，電線上是否有電並不會影響數位資料的傳輸品質。

避免干擾無線電通訊

寬頻電力線網路是使用電線頻譜中2 MHz到32 MHz的頻段，此範圍頻率可能與其他有執照的無線通訊服務頻譜相互重疊，例如業餘無線電（Ham radios）。因此UPA EoP技術提供了可編程頻譜陷波（Spectral Notching）技術，以此避免使用到未通過當地政府機構法規核准的執照頻段。UPA的DHS標準採用一套windowed-OFDM的調變方式，能讓可編程陷波區域以外頻段效幾乎不受影響。

《圖五　頻譜陷波技術可防止干擾無線電波》

高畫質QoS需求的頻寬配置

對高畫質電視而言，EoP系統不僅要能提供足夠的頻寬，也要在包括間歇性的雜訊干擾、鄰近電力線的網路干擾、或是網路上充滿低優先權資料等不良環境時，依然提供流暢的視訊傳輸。

流量分類與集中式頻寬管理

UPA DHS所採用的是流量分類（traffic classification）與集中式頻寬管理。此技術也就是進階動態分時（Advanced Dynamic Time Division；ADTDM）媒體存取控制（MAC），使影音播送程序最佳化，其中功能設計著重在高效能、嚴格的頻寬保留、周密的流量優先順序與QoS等。所有電力網路上的節點，都可依照不同的服務優先順序，以不會碰撞的方式，提供存取通道資料的功能；其優先順序則可依照資料、VoIP、隨選視訊等不同應用加以調整。

主從架構

UPA的EoP系統也採用了主從（master／slave）架構，網路中的其中一個EoP裝置，會被選定作為主端，而其他所有裝置則被指定為從端。扮演主端的裝置會配置通道存取時間給網路上其他EoP的裝置，以有效且簡單的方法確保網路上不同流量型態時的頻寬配置。UPA的EoP規格也相當有彈性，各家廠商能擁有多種選擇針對特定應用進行最佳化QoS演算法。

資安加密技術

UPA的EoP採用168位元的AES加密技術，能為電力網路上傳送的高畫質視訊及相關數位資訊內容提供良好的安全防護，用戶可透過GUI設定、或是由EoP自行以亂數產生加密的密鑰。

正確選擇適合的EoP產品

目前市面上已有許多EoP技術可供選擇，包括UPA、HD-PLC、HomePlug 1.0、HomePlug 1.0 Turbo、以及HomePlug AV等等。如何正確選擇適合的EoP產品，必須考慮以下重要因素：

效能

由於每個家中的電力線配置不盡相同，因此，也不易預估EoP在每個家庭使用時的效能。消費者可以選購市面上具備最高效能的產品，省去到店家換貨的麻不方便。特別是當消費者若有在家中傳送高畫質視訊的需求時，就必須選擇能支援150 Mbps以上的EoP產品。目前UPA、HD-PLC、及HomePlug AV等均可提供200 Mbps傳輸速率的解決方案，至於HomePlug 1.0與HomePlug 1.0 Turbo等較早期的電力線技術，其支援速率分別只有14 Mbps及85 Mbps。

技術成熟度

自2004年UPA發表200 Mbps晶片組以來，已出貨超過100萬顆，此項技術在歐洲已獲得電信公司大量採用。至於同樣擁有200 Mbps的 HomePlug AV ，則是在UPA發表後3年才推出上市。相較之下，UPA產品的競爭力不言而喻。

結論

由於電力線無所不在，且兼具效能與方便性，EoP技術能為消費者提供簡易最佳的家庭網路技術。利用EoP產品，消費者就能讓家中電腦與HDTV之間的高畫質資訊內容共享暢通無阻。目前廠商正嘗試降低EoP產品成本，相信這項技術應與電力系統一樣逐漸普遍，未來消費者便能將家電用品插上電源，就可連接悠遊於家庭網路當中。（本文作者Ashish Garg為Cypress Semiconductor策略行銷經理、Uzma Hussain Barlaskar為技術行銷工程師）