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標準最前線
G.fast/G.hn相輔相成    智慧家庭聯網一次到位
新通訊 20176 月號 196 期《 技術前瞻 》
文.楊舜凱/陳國財/郭斐華/史泰爵
銅纜是目前最普遍使用的網路媒介,然因近來用戶頻寬需求急遽上升,光纖技術發展後來居上成為網路布建的首選。
電信業者在光纖逐漸往用戶端布建的同時,發現光纖到家(Fiber To The Home, FTTH)普遍會遭遇管道壅塞、用戶意願的難題,而媲美光纖頻寬的ITU-T G.fast銅纜技術,則具備降低FTTH建設成本、及時提供用戶高速服務的特性,受到全球多數電信業者青睞並開始積極布建使用,作為過渡到全網路光纖化的解決方案。由於一般用戶家庭不具備乙太網路線路,支援多媒介傳輸的ITU-T G.hn技術是理想家庭骨幹網路解決方案,可提高家庭網路視訊、語音服務傳送的可靠性,並可承接高速接取網路的頻寬至服務控制器或服務終端設備,因此G.fast搭配G.hn可有效提升網路速率與品質,發揮一加一大於二的效益,滿足使用者通訊、教育、娛樂、安全、健康、節能等生活各個面向的需求。 

寬頻網路最後一哩G.fast技術 快速解決光纖入戶建設問題 

隨著電信業者積極布建FTTH網路,在最後一哩的光纖建設上,面臨建設成本、時效性、用戶意願等議題,為了快速滿足客戶高速上網服務的需求,利用既存的銅纜資源,並輔以調整高頻帶的使用,進而衍生G.fast新技術。市場研究機構Ovum預測,2021年全球G.fast連接將達到2,900萬戶,占全世界固定寬頻市場的3%[1],未來可預見G.fast在近幾年將是全球電信市場成長的主要驅動力量。 

G.fast技術與目前的第二代超高速數位用戶迴路(VDSL2)主要的差異點,在於所用的頻帶由30MHz提高至106MHz,之後還會更進一步的提高至212MHz,同時調變方式由VDSL2所採取的頻率多工(Frequency Division Duplex, FDD)技術,改變為G.fast採用的同步時分雙工(Synchronous Time-Division Duplex, STDD)技術,不僅可彈性調整下、上行速率比例,亦可避免線路間的近端串音干擾(Near-End Crosstalk, NEXT)。然而使用高頻帶傳送訊號所須面臨的瓶頸為衰減及易受干擾問題,因此使用距離考量在幾百公尺之內,搭配光纖網路以FTTdp(Fiber-to-the-Distribution Point)架構的方式來提供數百Mbit/s的寬頻服務。 

依據G.fast標準[2∼3]制定目標,200公尺時的連線速率達200Mbit/s、100公尺時的連線速率達500Mbit/s,若欲提供500Mbit/s以上頻寬,距離則將縮短至100公尺之內,惟G.fast電路彼此干擾後,速率將下降約為200Mbit/s的能力,因此須透過向量運算處理(Vectoring)技術來消除G.fast電路間的遠端串音干擾(Far-End Crosstalk, FEXT),使得頻寬仍可維持在500Mbit/s左右。G.fast引用VDSL2實體層的重傳機制,以改善抵禦突波雜訊的能力,降低用戶資料受干擾造成封包遺失的情況發生,並維持在低網路延遲;而且加強線上參數調整機制,除Bit Swap、SRA(Seamless Rate Adaptation)與VDSL2技術相同外,新增了TIGA(Transmitter Initiated Gain Adjustment)、RPA(RMC Parameter Adjustment)、FRA(Fast Rate Adaptation)三項功能,以強化電路品質,減少高強度干擾所造成的電路品質影響。 

為了強化G.fast能力及應用場域,ITU-T持續修訂G.fast標準要求[4∼5],如圖1所示,包含:最大承載位元數提升至14位元、最大傳輸功率提升至8dBm、增訂傳輸於同軸電纜線路(Coax)媒介、動態調整時槽機制(Dynamic Timing Assignment, DTA)、增訂G.fast綁定(Bonding)技術的運作機制及參數,以及212MHz頻帶相關的運作參數,G.fast技術標準發展將逐漸制定完整。 

圖1 G.fast關鍵技術發展現況
以下將說明G.fast標準關鍵技術特性:  

・最大承載位元數 

在G.fast標準初版僅要求每個傳輸通道(Subcarrier)最大可承載12位元,在標準修正二版(Amendment 2)中加入14位元的能力,可在G.fast電路訊雜比(Signal to Noise Ratio, SNR)足夠時,使電路性能直接得以提升,短距離應可增加50∼100Mbit/s效益。 

・最大傳輸功率 

在G.fast標準初版要求G.fast電路,採用106a組態的最大傳輸功率僅為4dBm,在較長電路距離或需較高訊雜比場域時,此功率強度便略顯不足,解決方法則在標準修正二版中新增8dBm的能力,定義新的組態為106b。 

・同軸電纜傳送技術 

G.fast使用高達106MHz頻率來傳送訊號,因此在電話線上的衰減及干擾將隨高頻訊號而迅速增加。為了降低此情況,部分業者與廠商便改用纜線品質較佳的同軸電纜(Coax)來作為提供G.fast技術的傳輸媒介,標準修正三版定義新的組態為106c。 

・動態調整時槽機制 

動態調整時槽機制運作在於隨時調整下、上行時槽比例,讓下行與上行傳輸速率接近線路最大頻寬,標準修正三版定義適用在無干擾的環境(Crosstalk-Free Environment),例如:單路電話線或同軸電纜,而有關多埠設備的動態調整時槽技術則正在討論當中。 

・G.fast綁定技術 

在既有G.fast技術中,使用單一電路如欲提供總和速率500Mbit/s以上頻寬,距離將縮短至100公尺之內,於實際現場應用時,便有其困難之處。透過G.fast結合兩對線綁定技術,可於短距離提升電路速率,或者延伸可提供服務範圍。為因應G.fast封裝方式與既有綁定技術的封裝方式之間的差異,在ITU-T G.998.2標準[6]的修正四版(Amendment 4),新增了Annex D的章節,以實現G.fast綁定技術。 

・212MHz 

G.fast技術初版便已制定212a的組態,將可使用212MHz頻帶傳輸訊號,考量干擾及線路衰減,估計僅可提供約為106a的1.5∼2倍頻寬能力。近期212a在標準修正三版(Amendment 3)已經制定完成,最重要是Vectoring的Precoding機制與106MHz使用相同的線性機制,雖向量運算較非線性機制簡單,這對於高頻串音干擾之消除結果,預計將是極大的挑戰。 

全球因為不同的地理環境與文化背景,對寬頻網路建置的方向也不相同,亞洲電信運營商例如韓國、日本、中國以光纖建設為主軸,可有效一步到位提供用戶高速寬頻服務;而北美建置同軸電纜時程較早及成熟,有線電視運營商使用同軸電纜建設占盡天時地利優勢,電信運營商則在光纖與銅纜配合建設下快速提供客戶高速服務,以加強市場競爭力;歐洲電信運營商則因住宅散居、寬頻網路建設較晚、人工費用較高等因素,大都以銅纜為布建要角,因此觀察從2012年以來,G.fast銅纜發展主要以歐洲電信運營商最為積極。根據蒐集資訊,現階段領先的歐美電信業者,如瑞士電信(Swisscom)、英國電信(British Telecom)已經於2015年啟動G.fast網路試用,預計2017年大量商用,其他業者也逐漸加速測試與試用中。 

G.hn滿足不同服務傳輸需求 

因應客戶對高速上網、4K電視、虛擬實境(Virtual Reality, VR)等新服務之需求持續增加,電信公司除了積極建置電信寬頻基礎網路,包括骨幹網路、都會彙集網路與接取網路,為了讓用戶能夠享受端對端(End-to-End)的寬頻服務,用戶端家庭網路的建置亦將扮演重要角色。為因應智慧家庭服務的推展,包括娛樂服務(如:智慧電視、影音裝置、線上遊戲等)、健康服務(如:居家醫療、健身器材、遠距照護等)、安全服務(如:影像監控、防盜防災、環境監測等)及節能服務(如:智慧家電、用電管理、用水管理等)等多元化服務應用,提升家庭網路頻寬與連線品質為勢在必行之方向。 

家庭網路的組成,依角色與功能區分為家庭閘道器(Home Gateway)、家庭網路(Home Network)、服務控制器(Service Controller)、服務終端設備(Service End Device)等四大部份。家庭閘道器為對外連線介接之網路中心,家庭網路負責家庭閘道器至服務控制器之間的連線與訊務傳遞任務,服務控制器為家庭服務之控制中心,例如:機上盒(Set-Top Box)、智慧家庭服務主機等設備,服務終端設備則包括電話機、電視機、攝影機、感應裝置與手機等用戶設備。 

家庭網路建置媒介包含乙太網路線路(Ethernet)、電話線線路(Phone Line)、電力線線路(Power Line)、同軸電纜(Coax)、無線網路(Wireless Local Area Network)等,考量家庭骨幹網路視訊服務品質及穩定性需求,應以有線網路技術為主、無線網路技術為輔。其技術選擇的主要考量包括下列因素,建議應該因地制宜、彈性選擇搭配使用。 

・環境因素:跨樓層傳輸、有無家庭智慧箱、管線因素、干擾與不同技術共存議題。 

・服務需求:服務頻寬大小、服務特性、訊務種類。 

・便利性:插座數量、插座位置、終端特性。  

・價格因素:重新布線、設備成本、設備維護。  

以電力線技術來說,最初標準組織依其所在區域區分為美規的HPAV(HomePlug AV)、歐規的OPERA(Open PLC European Alliance)與日規的HD-PLC(High Definition Power Line Communication),三項電力線標準大約從2004年左右制定完成,實體層傳輸速率最高可達200Mbit/s。2011年HPA組織與IEEE組織合作推出實體層傳輸速率為500Mbit/s的IEEE P1901標準,2013年HPA組織又發表1Gbit/s傳輸速率的HomePlug AV2標準,而ITU-T組織則於2011年開始定義出一套可用於同軸電纜線、電話線和電力線實現1Gbit/s傳輸速率的G.hn標準[7∼8],如此將更有效地協助家庭網路各種媒介的整合,提供無所不在的服務應用。技術標準發展如圖2所示。 

圖2 家庭網路技術標準發展
針對速率、距離及抗干擾能力等功能具有優勢之G.hn技術,說明如下: 

・提高速率之多輸入多輸出技術 

為克服電力線家電干擾問題,進一步提升G.hn的傳輸性能與覆蓋範圍,將目前單純使用電力線火線的單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)傳輸方式,加上利用相對乾淨的電力線地線,同時進行多輸入多輸出(Multiple Input/Multiple Output, MIMO)傳輸。藉由MIMO技術,可拓展家庭網路的覆蓋範圍,提供更高的傳輸速率。依據HomeGrid Forum評估其實體層速率理論值,G.hn SISO 100MHz與G.hn MIMO 50MHz可接近約1Gbit/s速率,而採用G.hn MIMO 100MHz則可高達2Gbit/s,這將優於目前普遍使用之HPAV技術的3至4倍。 

・延長距離之中繼功能 

G.hn同時制定中繼(Relay)功能,主要為導入中繼節點(Relay Node)以延伸傳輸距離,解決因距離遠而無法通訊的困擾。 

・解決鄰居網路之干擾問題 

全球主要人口密集城市的居民,有大部分居住在社區大樓,或稱之為居住在多住宅單元(Multi-Dwelling Unit, MDU)建築中,在這種居住密集的情況下,使用高速家庭網路多會造成相互干擾的情形,尤其利用電力線傳輸更是如此,而這樣的跨網路干擾問題稱之為鄰居網路干擾(Neighboring Networks Interference, NNI),亦即可能產生和鄰居頻寬共享的效應。為此,ITU-T進一步對G.hn資料鏈結層標準做修正與強化,導入鄰居網域干擾緩解(Neighboring Domain Interference Mitigation, NDIM)技術,藉由正交封包序列(Orthogonal Preamble)、自適應功率控制(Adaptive Power Control),以及MAC週期校正與跨網域協調(MAC Cycle Alignment and Inter-domain Coordination)等功能,將鄰居網路干擾所造成電力線頻寬共享問題有效的解決,並且自動協調網域之間的網路流量傳輸性能。 

・多媒介混合協定 

IEEE國際標準組織正加速競逐家庭混合網路商機,於2013年制定出P1905.1混合網路協定,基本概念為結合包括IEEE 802.3(Ethernet)、IEEE 802.11(Wi-Fi) 、IEEE P1901及MoCA(Multimedia Over Coax Alliance)等有線與無線通訊技術,並在網路Layer 2與Layer 3中間置入一個軟體抽象層(Abstraction Layer, AL)的概念,透過AL可使資料在不同家庭媒介網路互傳。P1905.1可實現智慧家用混合式網路的基本管理功能,例如網路拓撲的識別(Topology Discovery)、傳輸路徑選擇(Path Selection)、遠端無線AP配置(Remote AP Configuration)等功能,P1905.1提供這些關鍵功能,對於實現智慧化家庭網路具有許多應用優勢。實際應用上,電力線及無線是最普遍使用的媒介技術,兩種媒介都屬於傳輸共享式,而且偶有干擾不穩定的特性,因此互為補強、互為備援的運作機制,對於提升網路品質與可用性將是不錯的技術方案。 

國外家庭網路發展依據當地文化狀況與技術成熟性彈性使用,近幾年電信市場有逐漸採用新技術的趨勢,歐洲地區的電信業者例如BT、DT、Orange等,考量HPAV向下相容的特性與需求,採用HPAV2技術;美洲地區的電信業者例如AT&T,規劃採用G.hn(Coax介面)技術,而Verizon則採用MoCA 2.0技術, Bell Canada採用G.hn(電力線介面);亞洲地區的電信業者例如中國電信,規劃採用G.hn(電力線介面)。各種新技術發展的同時,雖然現階段G.hn市場尚未起色,主要原因可能是成本考量、用戶無線終端設備的需求大增,導致電信業者大都著眼於無線技術與性能的改善,但因應視訊服務高頻寬、高品質要求的特性,未來家庭骨幹網路的部份仍需要有穩定、高速的技術支撐,因此G.hn仍是未來看好的技術。 

G.fast/G.hn各式應用情境加持智慧家庭實現無縫聯網 

G.fast技術應用情境,如圖3所示,光纖連接電信業者機房端的PON(Passive Optical Network)設備,再從最接近用戶的光纖出線口連接至G.fast DPU(Distribution Point Unit)設備的光介面,後續改採銅線以G.fast技術至用戶端設備(Home Gateway),提供用戶超高速寬頻服務,以下說明G.fast四種應用情境架構。 

圖3 G.fast技術應用情境
・情境一:光纖布建到大樓的樓層處 

因此於樓層建置G.fast DPU設備,再經水平銅纜到用戶宅內,通常此種應用情境以單埠或小埠數的G.fast DPU設備為主,然須考量G.fast DPU設備的用電需求,若無法於樓層處直接提供電力,則須考量由用戶端設備採遠端供電技術來提供。 

・情境二:光纖布建到建築物外牆 

可採用屋外型壁掛式的G.fast DPU設備,經由用戶電話線接至用戶端設備。與情境一相同,採用單埠或小埠數的G.fast DPU設備與用戶端遠端供電技術供裝。因G.fast建置於戶外,為避免屋外溫濕度環境讓設備受損或加速老化,G.fast DPU設備須能承受更嚴苛的溫濕度要求,並且具備防水與防塵的能力。 

・情境三:光纖布建到大樓電信室 

因大樓內垂直側因管道壅塞等因素無法布建光纖,因此於電信室建置多埠的G.fast DPU設備,並透過大樓內的垂直及水平銅纜與用戶端設備相接。G.fast多埠設備應用於電信室時,將與既有VDSL2電路共存在同一綑電纜,因為VDSL2技術傳送輸出功率較G.fast高,同一綑電纜中的G.fast電路將遭受VDSL2電路的嚴重干擾,而發生傳輸錯誤,影響電路品質,甚至發生斷線重連的可能。因此,與既有VDSL2電路共存造成G.fast連線速率與連線品質降低,將是一項重要議題,需要進一步克服與改善。 

・情境四:將多埠的G.fast DPU設備布建在交接箱 

由於交接箱內因連接到用戶之線路數量較多且繁雜,若使用G.fast技術的用戶無法收納在同一部G.fast DPU設備時,將造成較嚴重的串音干擾議題,導致效能受到嚴重影響,較難滿足用戶高速頻寬的需求。未來交接箱情境的高速寬頻應用,需要以建置更高埠數的設備方式來取代原有的VDSL2設備,解決干擾議題及滿足用戶高速頻寬需求。 

考量家庭骨幹網路的應用情境,其關鍵在於是否存在智慧箱,擁有智慧箱住宅型態的差別在於屋內存在乙太網路線路,無智慧箱的住宅只能選擇其他傳輸媒介,相較於有智慧箱的住宅在家庭網路建置上會稍具挑戰。表1為家庭網路使用情境與連線技術選擇建議,同時考量同樓層與跨樓層之使用情境進行分析與探討,至於Wi-Fi技術較適用於同樓層使用,應用於跨樓層仍建議採用有線技術。有智慧箱住宅的同樓層與跨樓層情境可直接採用乙太網路技術,若同樓層乙太網路無法涵蓋的房間或牆面,再使用電力線技術來輔助。台灣建築物大多是無智慧箱的住宅,同樓層與跨樓層可因地制宜採用不同有線技術來布建家庭骨幹網路,當採用乙太網路技術時則需考量明線布線的議題,使用者可依個別需求來彈性選用。 

電信業者考量國內老舊住宅光纖無法全面到戶、以及複雜的家庭網路環境,各項技術與服務推展仍待努力,為降低寬頻入戶障礙,結合G.fast與G.hn建置技術,為一可行之突破契機。G.fast與G.hn均屬ITU-T組織制定技術,雖應用領域不同,但技術與優勢之相似度很高,包括:支援電話線媒介、頻帶提升至100MHz,傳輸速率可接近1Gbit/s、輸出功率與傳輸距離相似、支援服務多樣性採用時分多工機制、因應媒介雜訊強化抗干擾能力,可為電信業者解決接取與家庭網路布建議題,達到Time to Market效益,因此國外電信業者對這兩種技術也越來越感興趣,相關設備試用與規劃也越來越多。G.fast與G.hn兩技術以用戶端家庭閘道器設備為分界點,各自提供高速服務與高品質、可靠之網路,讓電信業者在光纖到家與家庭乙太網路短時間無法全面普及下,得到最佳的技術解決方案。 

G.fast/G.hn雙網齊下 解決家庭網路速率/涵蓋率挑戰 

現階段G.fast技術標準已接近完成制定,正進入產品開發與實用化階段,雖然現階段技術尚未全部完備,例如106a Bonding、106c、212a等新技術,但逐漸可使G.fast技術成熟並進行大量建設。為了解決家庭網路傳輸速率與涵蓋率的問題,未來家庭網路設備可朝往G.hn標準技術演進,主要特色包括IEEE P1905.1整合技術、中繼功能、鄰居網路功能、MIMO技術,並適當地引進服務品質的功能,達到家庭網路布建、使用便利、低障礙的目標。電信業者考量國內老舊住宅光纖無法全面到戶、以及複雜的家庭網路環境,各項技術與服務推展仍待努力,此時結合G.fast與G.hn建置技術為一可行之突破契機,可以快速滿足用戶需求及因應競爭,期待接取銅纜與家庭網路新技術再創造一波寬頻市場的高潮。 

(本文作者皆任職於中華電信研究院寬頻網路研究所)

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