家庭网路的优势

家庭网路能提供使用者前所未有的潜力，进而分享彼此间网路互连装置的资讯内容。这项趋势就是所谓的数位整合（digital convergence），能让每个人可以连线至任何装置，并快速安全地传布资讯内容。为了装设家庭网路（Home Network）分享影音数位资讯内容，消费者可以选择利用家中现有的线路 ，或是在家中重新铺设费时又昂贵的CAT5规格Ethernet乙太网路线。

电力线乙太网路（Ethernet over Powerline；EoP）技术，可让既有电力线摇身一变成为数位资讯内容的高速传输通道。然而，现有频宽不足的技术，也是造成限制的瓶颈之一，许多使用者希望能有一套解决方案，可以在电视上观看高画质数位内容。

本文将描述以全球电线协会（Universal Powerline Association；UPA）的数位家庭规格（Digital Home Specification；DHS）为基准的EoP基本技术原理，并比较UPA技术与其他EoP技术的差异。 UPA组织的主要工作目标，是为提升电力线技术的影响力。 UPA技术提供高达200Mbps的频宽，特别适合数位家庭高画质视讯内容的传输。

多媒体视讯时代

资讯数位化影响力日益普及，越来越多的内容可从网路上取得。资讯数位化的革新主要是受到科技公司、媒体工作室、以及消费者三方所推动而成。

目前Apple、Movielink与Amazon等正在开发类似iTunes的技术平台，在网际网路上传递数位资讯内容。媒体工作室也逐渐接受资讯内容散布在网路的事实。美国NBC与ABC两家电视台都开始在自己网站上，重播当红的电视剧系列，加上YouTube的推波助澜，消费者正兴致盎然地加入线上数位革命的行列，在网路世界中建立并主导自己的资讯内容。

从相片与MP3音乐档案开始，高画质（HD）与标准画质（Standard Definition）随之席卷世界，HDTV也跟着畅销，许多市售的高画质电视都可以显示高画质数位资讯内容。

不过PC与电视之间的数位隔阂依旧存在，将电脑连接至家中的HDTV观看并非方便之道，装设家庭网路便能解决这个问题。

《图一 未来的智能家庭示意图。》

建置家庭网路克服局限性

高画质视讯需要更高的频宽与可预期的服务品质（QoS），以满足最佳的收视效果，若要让家中的连网装置之间共享资讯内容，家庭网路的功能相当适合。家庭网路是一种区域网路（local area network），可让住户自由设定家中电脑、HDTV、媒体中心、智慧型装置与其他任何数位设备之间的连线。目前最常见的家庭网路是属于Wi-Fi类型的无线网路，拥有足够的频宽，因此，消费者就可藉由有线媒介装置，架设可共享高画质资讯内容的家庭网路。

目前有线家庭网路形式，包括重新铺设家中的CAT5乙太网路缆线，或利用既有线路如电力线、电话线、及同轴缆线等。这些家庭网路的比较分析，如(表一)所示。

消费者为了共享高画质视讯内容，而在装置家庭网路时有多种选择。其中使用电力线乙太网路（Ethernet-over-Powerline）技术，经由电力线传输高画质视讯，算是最经济的方式，因为电源插座随处皆有，而且电力线网络的架设也十分简易。重新布建家中CAT5乙太网路缆线，通常既昂贵又费时，而且也可能严重破坏家中的装潢摆设。

EoP的技术优势

由于电力线乙太网路（EoP）特别适合家中住户使用，目前已成为最常用来取代其他家庭网路的技术。其技术优势包括：

随处可得

电力线可说无所不在，全球的输电网是当今布建最广泛的铜线网络，家中的每个房间通常都有多个电源插座，但却只会有一个电话线或同轴缆线的插座。电力线网路技术将可使住户家中的每个插座摇身一变成为网路插孔，也将家中既有的线路变成具备网路连线的功能。

容易架设与使用

EoP产品皆为随插即用型的装置，无须麻烦又昂贵的重新布线工程。消费者只要购买EoP转换器插头，回家将转换器插上电源插座即可使用。转换器插头会自动寻找位于电力线网路中的其他同类装置，并且随时准备进行通讯。

具备高效能

电力线网路解决方案目前可支援高达200Mbps的传输速率以及多种服务品质（QoS）层级，频宽特别适合串流高画质与标准画质的视讯传输需求。

具资安防护功能

无线网路的资讯安全可能受到威胁，而电力线网路则提供两层的资讯内容安全保护。有心者即便潜入家中并插上电源插座，电力线乙太网路技术还有内建加密功能，使所有在电力线网路上流通的资料，都享有最大的安全性。

可靠度高

多数的无线网路在设计上主要是支援资料短时密集（bursty）的网路流量；至于随选串流视讯，若不先暂存大量资料，在支援这类流量就会产生困难。 EoP技术是专为高画质视讯传输所设计，其中采用分时多重存取（Time Division Multiple Access；TDMA）技术来分配频宽，有别于Wi-Fi网路中所采用的载波感测多重存取（Carrier Sense Multiple Access；CSMA）技术。 TDMA能保证视讯传输时的频宽。

电力线乙太网路（EoP）基本技术原理

历史演进

在EoP系统中，原本在家中用来分配电力的铜线，也能被用来传输数位资料。该系统传统运作方式，是在电力线交流电讯号上，再叠上载波调变讯号。利用电力线作为数据通讯媒介，其概念约出现在1970年代，直到1990年代末期，EoP技术仍处于低速率规格，只能用来在电力线上传输控制讯号。

后来运用先进的数位通讯技术、并搭配新的演算法，可以克服电力线通道上的杂讯，并让电力线成为高速数位资讯内容的传输管道。加上1970年代起，矽电晶体成本大幅降低，使得这些运算密集的演算法得以建置在单晶片上。上述技术的突破，也让用户能以合理的价格，享受宽频EoP技术服务。

EoP技术大要

EoP系统中的发送器（transmitter）可以将电脑或任一网路连线装置上的数位资料，转换成为类比的线路资料，并将其附加到电力线上。如此，在接收端就会把电力线上附带的类比线路资料，转换成数位讯号，再传送至相对应的装置上。一般电力线通讯技术的方块图，如(图二)所示。

《图二 一般的数字通讯系统方块图。》

UPA的Epo技术

以全球电线协会（Universal Powerline Association；UPA）所提出的EoP技术为例，UPA数位家庭标准（Digital Home Standard；DHS）规范是专为已管理或未管理的家中电力线网路所设计。该技术是基于主从（Master-Slave）控制所设计的架构，并采用点对点（peer-to-peer）的资料传输架构。 (图三)所示为UPA DHS实体层的方块图。

《图三 UPA DHS电力线以太网络物理层方块图。》 - BigPic:606x283

使用电力线网路作为数据通讯媒介时，仍面临几项技术挑战。 UPA的EoP技术，能提供高达200 Mbps的传输速率，克服这些挑战，进而支援高画质视讯传输。

UPA如何克服电力线通讯难题

电压突波

有人错误理解EoP技术因为利用电线作为通讯管道，因此效能多少会受电源讯号品质的影响，进而导致消费者担心电线中的电压突波，是否会影响以EoP为架构的家庭网路效能。

事实上，UPA的DHS实体层，在电线中运作频率为2MHz至32MHz范围之间，如(图四)所示，而家中交流电通常是介于50Hz或60Hz之间，这必须视用户所居住的地区而定。所以使用2MHz到32MHz电力线的频段，可确保数位资料讯号不易受电压突波或50Hz／60Hz频段起伏的影响。

《图四 电力线频谱使用示意图》

电线杂讯

电线通道上的杂讯是以电力线作为数据通讯媒介时的最大挑战。在UPA的EoP技术中，可利用下列方法来解决电力线中杂讯干扰的问题：

强化调变技术

UPA的Epo技术采用1536个载波的正交分频多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing;OFDM)调变方式,每个子载波各自独立的调变密度,从2位元到10位元不等。

频繁的通道评估

电力线通道会受到果汁机或其他家电用品所造成的突发性杂讯所干扰。不过UPA的EoP技术，会利用发送器与接收器之间传输训练资料（training data），进行频繁的通道评估。 EoP装置可利用通道评估所得的资讯，判断受到杂讯干扰的部分，一旦侦测到杂讯，发送器就会执行适应性位元分配（Bit Loading），以确保电力线频谱的最佳化状态。

适应性位元分配（Bit Loading）

适应性位元分配是依据每个载波的通道品质参数，进而即时适应性调整每对发送／接收器的调变参数。根据每个载波上所量测到的讯杂比（signal-to-noise ratio），选择最佳化调变方式，达到最高的传输速度，并维持低比例的位元错误率（Bit Error Rate； BER）。如此，其他连线装置可能造成的干扰就会降至最低。

顺向错误更正（Forward Error Correction）

采用顺向错误更正方法时，发送器会送出足够的资讯，一旦资料受杂讯干扰而遗失时，接收端仍可将还原既有传送资料，无须重送原始资料。 UPA的DHS规格中的顺向错误更正，采用的是动态Reed-Solomon编码方式。

所需电源低

无论电线是否有电，UPA的EoP技术都能正常运作。只要能供应电力线网路晶片组所需电源，电线上是否有电并不会影响数位资料的传输品质。

避免干扰无线电通讯

宽频电力线网路是使用电线频谱中2 MHz到32 MHz的频段，此范围频率可能与其他有执照的无线通讯服务频谱相互重叠，例如业余无线电（Ham radios）。因此UPA EoP技术提供了可编程频谱陷波（Spectral Notching）技术，以此避免使用到未通过当地政府机构法规核准的执照频段。 UPA的DHS标准采用一套windowed-OFDM的调变方式，能让可编程陷波区域以外频段效几乎不受影响。

《图五 频谱陷波技术可防止干扰无线电波》

高画质QoS需求的频宽配置

对高画质电视而言，EoP系统不仅要能提供足够的频宽，也要在包括间歇性的杂讯干扰、邻近电力线的网路干扰、或是网路上充满低优先权资料等不良环境时，依然提供流畅的视讯传输。

流量分类与集中式频宽管理

UPA DHS所采用的是流量分类（traffic classification）与集中式频宽管理。此技术也就是进阶动态分时（Advanced Dynamic Time Division；ADTDM）媒体存取控制（MAC），使影音播送程序最佳化，其中功能设计着重在高效能、严格的频宽保留、周密的流量优先顺序与QoS等。所有电力网路上的节点，都可依照不同的服务优先顺序，以不会碰撞的方式，提供存取通道资料的功能；其优先顺序则可依照资料、VoIP、随选视讯等不同应用加以调整。

主从架构

UPA的EoP系统也采用了主从（master／slave）架构，网路中的其中一个EoP装置，会被选定作为主端，而其他所有装置则被指定为从端。扮演主端的装置会配置通道存取时间给网路上其他EoP的装置，以有效且简单的方法确保网路上不同流量型态时的频宽配置。 UPA的EoP规格也相当有弹性，各家厂商能拥有多种选择针对特定应用进行最佳化QoS演算法。

资安加密技术

UPA的EoP采用168位元的AES加密技术，能为电力网路上传送的高画质视讯及相关数位资讯内容提供良好的安全防护，用户可透过GUI设定、或是由EoP自行以乱数产生加密的密钥。

正确选择适合的ErP产品

目前市面上已有许多EoP技术可供选择，包括UPA、HD-PLC、HomePlug 1.0、HomePlug 1.0 Turbo、以及HomePlug AV等等。如何正确选择适合的EoP产品，必须考虑以下重要因素：

效能

由于每个家中的电力线配置不尽相同，因此，也不易预估EoP在每个家庭使用时的效能。消费者可以选购市面上具备最高效能的产品，省去到店家换货的麻不方便。特别是当消费者若有在家中传送高画质视讯的需求时，就必须选择能支援150 Mbps以上的EoP产品。目前UPA、HD-PLC、及HomePlug AV等均可提供200 Mbps传输速率的解决方案，至于HomePlug 1.0与HomePlug 1.0 Turbo等较早期的电力线技术，其支援速率分别只有14 Mbps及85 Mbps。

技术成熟度

自2004年UPA发表200 Mbps晶片组以来，已出货超过100万颗，此项技术在欧洲已获得电信公司大量采用。至于同样拥有200 Mbps的 HomePlug AV ，则是在UPA发表后3年才推出上市。相较之下，UPA产品的竞争力不言而喻。

结论

由于电力线无所不在，且兼具效能与方便性，EoP技术能为消费者提供简易最佳的家庭网路技术。利用EoP产品，消费者就能让家中电脑与HDTV之间的高画质资讯内容共享畅通无阻。目前厂商正尝试降低EoP产品成本，相信这项技术应与电力系统一样逐渐普遍，未来消费者便能将家电用品插上电源，就可连接悠游于家庭网路当中。 （本文作者Ashish Garg为Cypress Semiconductor策略行销经理、Uzma Hussain Barlaskar为技术行销工程师）