智慧閘道器將躍居家庭網路首要樞紐。全球主要電信業者、有線電視多系統營運商與網通設備業者正興起整合有線數據機、Wi-Fi AP、Control Gateway，甚至再包含LTE微型基地台功能的智慧閘道器設計熱潮，期以單一設備主掌所有家庭有線和無線聯網需求，並減輕用戶採購負擔，進而加速智慧家庭多元聯網應用成形。
智慧閘道器(Smart Gateway)將揭開智慧家庭發展新紀元。閘道器係串連智慧家庭內部聯網裝置，並對外連結雲端資料中心的樞紐，近來已成為全球電信商、有線電視多系統營運商(MSO)，以及網通設備製造商的布局重點。尤其威瑞森(Verizon)、AT&T及中國移動等重量級電信商，今年皆計畫大量採購新一代結合有線和無線混合網路功能的智慧閘道器，一次取代家中多個聯網設備，更為智慧家庭帶來全新話題。
事實上，以往家庭中充斥無線區域網路存取點(Wi-Fi AP)、有線數據機(Cable Modem)和機上盒(STB)等多元聯網設備，且各自獨立作業負責特定任務，不僅造成用戶使用不便，也阻礙智慧家庭的進一步發展。隨著家庭聯網標準與系統開發技術日益成熟，業界已興起新一代智慧閘道器設計概念，醞釀以模組化架構整合各種有線及無線通訊功能，以無縫串連雲端、行動裝置和網路服務平台，創造更多利用價值，可望成為今年智慧家庭發展的全新亮點。
電信/MSO/品牌商蜂擁投入 智慧閘道器引領新潮流
看準智慧閘道器未來可望蓬勃發展的市場商機，2014年國際消費性電子展(CES)中，包括消費性電子品牌大廠三星(Samsung)、自動化聯網系統供應商GreenWave Reality，以及意法半導體(ST)和高通創銳訊(Qualcomm Atheros)等晶片業者，均不約而同祭出相關解決方案，足見新型智慧閘道器設計，已被網通業界視為可突破智慧家庭發展桎梏的關鍵。
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| 圖1 智慧閘道器在智慧家庭中的應用情境 |
無庸置疑，三星是目前最積極推廣家庭智慧閘道器概念的廠商之一，不僅在今年CES中，展示整合式智慧閘道器平台，可全面支援家電自動化控制、高速影音串流和結合手機應用程式的應用服務(圖1)，亦投入開發智慧家庭軟體協定(SHP)，以無縫串連旗下各種家庭聯網設備，以及其他廠商裝置，為智慧家庭互連服務生態系統建立厚實基礎，並進一步擴展家庭節能、安控和醫療保健等應用版圖。
與此同時，電信商和有線電視多系統營運商為搶攻智慧家庭商機，亦將分別從無線聯網設備和機上盒設計切入智慧閘道器市場；前者可望於今年底攜手網通設備廠推出整合長程演進計畫微型基地台(LTE Small Cell)及Wi-Fi AP的智慧閘道器；後者則將以機上盒為核心，再納入Wi-Fi AP、Control Gateway等功能設計，催生具強大影音支援能力的智慧閘道器。
無論是消費性電子品牌廠、電信商和有線電視營運商，開發智慧閘道器的主要目標就是讓用戶能藉由單一設備，即可無縫串連雲端、物聯網(IoT)裝置和影音服務平台，使智慧家庭各種應用更融入生活，進而帶動更多軟體服務商機。
電信商搶發智慧家庭財 智慧閘道器設計加速成形
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| 圖2 盟創科技總經理張江林認為，家庭智慧型閘道器將以客製化模式生產，從而配合MSO或電信商等不同採購對象所推出的服務內容。 |
盟創科技總經理張江林(圖2)表示，智慧家庭聯網需求主要分三大塊，包括雲端資料中心、用戶手機和家庭內部物聯網裝置，以及與行動應用程式和影音內容相關的服務平台，而這些網路連結都須透過不同的有線或無線通訊方案，遂促進智慧家庭網路邁向多元通訊技術融合的組成架構，並引發家庭核心聯網設備--閘道器一連串的設計轉變。
目前包括北美Verizon、AT&T，以及中國大陸中國移動等電信商，皆攜手網通設備廠和模組供應商力推新一代智慧型閘道器，全力卡位智慧家庭商機。
張江林透露，中國移動為拓展其即將上線的TD-LTE服務營收管道，正緊鑼密鼓研發專屬的家庭智慧型閘道器，相關規格亦已大致底定，可望於今年底前正式推出整合LTE毫微微型蜂巢式基地台(Femtocell)和Wi-Fi AP功能的產品，以同時滿足智慧家庭閘道器與外部雲端中心及內部聯網設備的連接需求。
事實上，Wi-Fi AP、有線數據機、微型基地台和機上盒皆可視為傳統的家庭閘道器；然而這些裝置僅具有單一用途，無法支援智慧家庭中所有聯網服務，因此業界提出新的智慧型閘道器方案，藉由將特定聯網設備濃縮成模組，並搭配系統擴充槽設計以整合多種通訊方案，同時還將內建Linux或Android作業系統，提供家電自動化控制、影音娛樂、智慧照明、智慧能源管理和機器對機器(M2M)等創新應用。
借力模組化設計 閘道器融合異質聯網技術
張江林指出，由於智慧型閘道器須整合異質通訊技術，還要保留產品功能升級的空間，因此邁向模組化設計架構已成大勢所趨；因應市場需求，盟創亦規畫在今年第四季推出內建聯網模組擴充槽、Android作業系統，兼容LTE Femtocell和Wi-Fi AP功能的模組化智慧型閘道器，搶進北美、中國大陸電信商供應鏈。
無獨有偶，台灣另一家商用/家用通訊系統解決方案供應商--東訊亦積極搶進智慧家庭市場，並正加速研發新一代整合有線、無線網路和通用序列匯流排(USB)功能的智慧閘道器，以提供路由、語音、無線、IPTV等通訊整合方案，並提高家庭網路頻寬存取能力。
張江林透露，隨著模組化架構日益成熟，智慧閘道器將再進一步整合有線數據機、短距無線連結，甚至於網路附加儲存設備(NAS)的功能，成為家庭雲端中心。不僅如此，業界亦馬不停蹄研究更前瞻的Switch Buffer技術，可望解決多種有線與無線通訊方案共存的訊號干擾和切換問題，進而跳脫擴充槽系統設計架構，實現單一印刷電路板(PCB)兼容所有通訊機制，並大幅縮減體積、功耗和成本的下世代智慧型閘道器。
結合NAS功能 閘道器變身智慧家庭伺服器
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| 圖3 鉅景科技RF SiP事業處資深協理劉尚淳強調，智慧閘道器下一步將導入語音控制，以改善人機介面操作體驗。 |
鉅景科技射頻(RF)系統級封裝(SiP)事業處資深協理劉尚淳(圖3)表示，智慧家庭聯網應用益發多元，網路資料量也急速攀升，因此未來家庭閘道器須具備NAS功能，進一步朝智慧家庭伺服器的發展方向邁進，才能完善支援影音娛樂、安全監控、遠距醫療、家電控制和3G/4G分流機制，讓整個智慧家庭搖身一變成為小型雲端中心。
劉尚淳強調，相較於傳統家庭聯網設備，智慧閘道器及更先進的智慧家庭伺服器設計複雜度遽增，從研發到量產至少需要半年到一年的時間，因此鉅景早在2013下半年就與國內外電信商展開合作，目前已初步達成產品規格共識，除須提供NAS等級的儲存能力外，還將導入高畫質多媒體介面(HDMI 2.0)、Wi-Fi Miracast和數位生活網路聯盟(DLNA)等影音傳輸標準，以及3G/4G聯網功能，同時將針對行動醫療和白色家電控制應用內建ZigBee或藍牙(Bluetooth)4.0模組。
由於智慧閘道器或智慧家庭伺服器訴求將以往涇渭分明的家庭聯網設備融合為一，且上述聯網技術缺一不可，如何有效整合便是晶片商和系統業者面臨的最大挑戰。劉尚淳提到，雖然模組化架構係整合多元通訊技術的捷徑，但智慧閘道器中的處理器、射頻前端(RF Front-End)、天線和散熱機制等零組件也要配合升級，才能提高整體系統運算和訊號接收能力，並滿足不同技術所需的周邊配置。
其中，內建的網路處理器更是首要突破的技術環節，因此，包括博通(Broadcom)、Qualcomm Atheros和意法半導體等晶片商，以及SiP技術供應商鉅景，皆已轉向搭載多核心中央處理器(CPU)、Linux或Android作業系統架構，從而滿足多元通訊協定運算、切換，以及應用程式處理所需的強大效能。
Qualcomm Atheros近期即發布一款雙核心網路處理器(Internet Processor)，強調能以更高時脈性能同步支援有線/無線混合網路技術，協助網通設備廠打破各式家庭聯網設備的設計藩籬。
劉尚淳也透露，因應市場設計趨勢，鉅景已計畫採用SiP技術，打造內建四核心Cortex-A9、兩顆儲存型快閃記憶體(NAND Flash)和兩顆DDR3同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)的五合一網路處理器，並將於今年下半年量產。
競逐智慧閘道器商機 大小核網路處理器搶鋒頭
除多核心方案外，意法半導體更進一步研發64位元大小核(big.LITTLE)網路處理器，以兼顧效能與功耗，並迎合整個聯網軟硬體產業積極建立64位元應用生態系統的趨勢。該公司亦已在2014年CES期間揭櫫相關設計概念，積極卡位智慧閘道器市場。
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| 圖4 意法半導體技術行銷經理陳錫成指出，主機板開發商亦有機會以x86處理器切入智慧閘道器市場，但在系統成本和功耗方面將面臨嚴峻的挑戰。 |
意法半導體技術行銷經理陳錫成(圖4)表示，全球有線電視多系統營運商和電信業者為持續增闢營收管道，已紛紛聚焦智慧家庭應用，尤其在較早投入發展智慧家庭的北美地區，以及近來積極扶植物聯網產業的中國大陸，主要有線電視多系統營運商和電信商皆已相繼展開智慧閘道器的規格制定，並預計在今年下半年陸續啟動採購計畫，提供家庭用戶更完整的聯網體驗。
陳錫成分析，儘管智慧閘道器對網路處理器規格要求大幅攀升，但晶片商若一味追求時脈或DMIPS能力，對整體系統功耗和散熱機制都將帶來嚴重影響，無法全方位滿足設備業者設計需求，所以意法半導體遂取法行動裝置的big.LITTLE處理器設計模式，並採用獨家28奈米完全空乏型矽絕緣層(FD-SOI)製程，以兼顧高效能與低功耗特色，同時也減輕系統周邊設計負
擔。
不僅如此，該公司亦率先在網路處理器上實現64位元架構，以提高資訊吞吐量、記憶體頻寬，以及先進軟體應用程式支援能力。陳錫成強調，行動裝置已成為串連物聯網設備的中心，而64位元處理器正在行動市場萌芽，下一步進軍智慧家庭聯網設備也將是必然的趨勢，因此意法半導體即搶先投入研發Cortex-A57加A53的64位元big.LITTLE網路處理器，預計在今年中就能發布樣品，並將於下半年啟動量產，搶占第一波智慧閘道器商機。
顯而易見，若將智慧家庭視為小型雲端中心，智慧閘道器將扮演重要的局端設備角色，掌管整個家庭的有線和無線網路，而聯網家電、照明和監控系統則是終端設備，必須與智慧閘道器無縫串連，進而達到自動化控制的效果。
隨著智慧閘道器功能整合度大幅升級，家庭終端聯網裝置亦將擁有更高的設計彈性，同時能導入多元聯網技術以取得效能、成本和功耗的平衡點，促進智慧家庭生態系統更加成熟。
揮軍智慧家庭混合網路 多協定無線晶片一馬當先
為加速建置智慧家庭無線聯網環境，邁威爾(Marvell)、芯科實驗室(Silicon Labs)等晶片商已加緊研發整合Wi-Fi、藍牙4.0、ZigBee，甚至再加入近距離無線通訊(NFC)或Sub-GHz技術的多通訊協定無線晶片，從而一次滿足系統廠開發家庭智慧照明、自動化控制和健康照護解決方案的所有需求。
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| 圖5 Marvell嵌入式暨新興市場產品行銷總監Kevin Tang認為，除了資料傳輸應用外，家庭影音串流也日益風行，可望驅動聯網設備業者加速升級802.11ac方案。 |
Marvell嵌入式暨新興市場行銷總監Kevin Tang(圖5)表示，智慧家庭中包含傳輸資料量較低的家電自動化、照明控制和健康照護設備連結，乃至於網路頻寬需求較高的居家監控和高畫質影音串流等五花八門的聯網應用，而每一種解決方案皆須搭配最合適的無線通訊技術才能體現價值，因此對智慧家庭的發展而言，包括Wi-Fi、ZigBee、Sub-GHz和新一代藍牙4.0、NFC等無線通訊技術均不可或缺。
然而，各種應用基於不同的無線技術，對系統業者來說須投入更多資源與時間設計特定產品，勢將影響整體智慧家庭的推展步調，因此，Tang指出，Marvell正積極研發整合Wi-Fi、藍牙4.0、NFC和ZigBee的多功能組合(Combo)無線晶片，並持續擴增網路應用軟體、應用程式介面(API)資源，期加速家庭無線混合網路設計架構成形。
以家電為例，目前業界大多以Wi-Fi做為主要的傳輸與控制方案，而照明部分須支援更多節點，則以可組成網狀網路的ZigBee技術較受青睞；至於日益蓬勃的健康照護應用由於要連結可攜式電子設備，要求超低功耗，因此也為新版藍牙4.0/4.1標準提供絕佳的發展舞台。
芯科實驗室微控制器產品資深行銷經理Ted Batey補充，目前沒有任何一種無線方案可以通吃所有家庭聯網應用，各個技術皆有其獨特定位與價值，相互取代性尚不明顯，遂使智慧家庭逐漸走向無線混合網路的建置模式，因此該公司也計畫在2014年以SiP技術整合ARM架構微控制器(MCU)和支援Sub-GHz到2.4GHz頻段的接收器，同時展開下一代MCU加Wi-Fi、藍牙4.0、ZigBee和Sub-GHz多元無線通訊協定接收器的無線系統單晶片(SoC)解決方案。
顯而易見，家庭聯網環境正加速朝多元融合發展，而新型智慧閘道器則將躍居整個網路的核心，可望為智慧家庭開創更為豐富、多元的應用，進而刺激全新網通晶片、設備，乃至於軟體應用服務商機，吸引更多業者蜂擁投入，加速智慧家庭2.0的嶄新局面來臨。