针对智能家庭室内无线通信网络所规划的新型架构

　 本文作者：Jeff Lin Qorvo 亚太区市场行销经理 APAC BD Marketing Manager

     提到智能家居，你第一个想到的会是什么? 智能灯泡、智能网关、传感器还是智能音箱?在智能家居的使用场景中，这些琳琅满目的“智能装置”负责直接或间接地为使用者提供智能服务。 但是对于大部份的使用者来说， 这些智能装置之间怎么互相连接? 用什么样的传输技术?用什么样的通讯协议?似乎都不是他们关注的重点，使用者在意的是这些装置是不是即拿即用、用户接口是否友善以及系统本身是否安全等与自己切身相关的问题。而在这些事情的背后却是由一连串的传输技术、通讯协议与后端大数据分析整合管理所支持出来的结果。

　　智能家庭所具备的多样性运用与服务

　　经过近五年来的技术革新与主流厂商之间的相互制衡与竞争，针对智能家庭运用的主流通信传输技术已不再是百家争鸣，反倒是收敛到一个彼此依偎彼此共存的“大共和时代”，根据不同的运用场景，各个传输技术与规范在智能家庭的领域里都各自占有一席之地。

　　综观目前智能家庭室内所使用的主流的传输技术，尤其是“无线”通讯传输技术，大致被WiFi、Bluetooth与zigbee 这三种技术所涵盖，根据其传输技术的特性，我们提出了One Pod per Room的概念。

One Pod per Room

　　WiFi为智能家庭传输通讯的主要技术

　　WiFi 是目前普遍率最高的一种无线通信技术，它本身具有高穿透性、覆盖面积广、高传输速率等特性，经过了十六年的发展与市场强而有力的驱动之下，从最早期的802.11b、802.11a、802.11g、802.11n到目前的802.11ac以至于即将在2018年呼之欲出的全新下一代WiFi标准802.11ax，在物联网与智能家庭运用发展如火如荼之际，WiFi 传输技术毫无疑问的处在领导地位。

　　为了扩大WiFi无线网络的覆盖范围，市面上很多主流的WiFi设备供货商都相继推出了基于网状WiFi无线网络(Mesh WiFi) 或是分布型WiFi无线网络(Distributed WiFi) 的新一代无线网络架构的产品，相较于传统的星型网络架构 (Star Network)，它除了能提供更广的覆盖范围外，透过特殊的算法计算与通讯协议，进而实现一个完全无缝连结 (Seamless connection) 与室内漫游 (Indoor Roaming) 的室内全覆盖环境。

　　Mesh网状网络与Star星型网络架构

　　在网状WiFi无线网络技术还不成熟时，若要增加WiFi在室内的覆盖，最常见的解决方案的就是利用WiFi扩展器 (WiFi Repeater) 来延伸WiFi的传输距离，姑且不论WiFi扩展器在安装设定上的复杂度，从实际的物理特性上来讨论，每透过一个WiFi扩展器，能使用的带宽与信号就会衰减一半，加上早期WiFi本身通讯协议上的缺陷，当使用者的WiFi终端设备处在两个WiFi信号重迭的区域，由于乒乓效应 (Ping-Pong Effect) ，极可能形成WiFi无线网络上的死区 (Dead Zone) 还有发生联机中断的状况。

　　传统的WiFi扩展器无法实现WiFi信号全覆盖

　　网状WiFi网络的路由器本身同时具备2.4G Hz 与5G Hz双频的传输技术( Dual Band Dual concurrent)，其目地在于利用2.4G Hz高穿透力与传输距离远的特性来当做每个WiFi路由器之间的骨干连接 (Backbone connection)，WiFi路由器本身再利用5G Hz跟其他周边的WiFi 装置作链接，如手机、智能音箱、电视、游戏机等等… 坊间有些网通大厂为了增进网络效能并提升使用体验，更进一步加码将双频的WiFi系统升级到三频 (Tri-Band concurrent)，一举将WiFi无线网络的效能推升到极致，透过802.11x Band Steering 与802.11k Seamless Roaming两大技术的加持，让WiFi装置能根据其传送与接收的联机讯号质量在2.4G Hz与5G Hz之间自动切换选择并在切换时不会造成中断连结，实现联机稳定且无死角的WiFi网络环境。

　　蓝牙技术为智能家庭带来新的应用

　　蓝牙技术(Bluetooth) 应该是在智能家庭运用场景里仅次于WiFi的另一个关键无线传输技术，它通常被用于不同设备之间的短距离无线通信，如同WiFi，蓝牙技术经过了近二十年的演进，从BT1.0、BT2.0、BT3.0、BT4.0到最新的BT5.0，其中蓝牙技术联盟 (SIG) 在蓝牙4.0的标准规范中已提出了“低功耗蓝牙”(BLE, Bluetooth Low Energy)的运作模式，蓝牙技术连盟更进一步地在2013年底推出了蓝牙4.1的技术规范，其主要目的是为了让Bluetooth Smart 技术最终成为物联网发展的核心动力。

　　蓝牙标准的演进与比较

　　ZigBee 传输技术整合了智能家庭的各种应用

　　传感器 (Sensor) 在物联网的生态系统 (Eco System) 中扮演着很重要的角色，在智能家庭的运用场景中更显得重要，例如灯光控制，窗帘控制，温度控制，烟雾侦测，甚至安防系统都需要透过传感器来实现，随着无线网络技术的发展，无线传感器网络的技术标准也得到了快速的革新与进步，ZigBee就是其中之一，ZigBee是一种中距离低速传输的无线网络协议，它的底层采用IEEE 802.15.4 标准规范的媒体访问层 (Medium Access Control Layer) 与物理层 (Physical Layer) ，它的优势在于低耗电、低成本、支持大量的网络节点与支持多种网络拓朴 (星型网络、点对点网络、网状网络)，从2001年ZigBee 问世到现在历经了十多年来的改革，ZigBee 3.0统一了各个不同应用规格 (Profile) 之间的标准，让各个运行在不同应用的ZigBee装置能够互连互通，为整个物联网系统打通了链接管道，大大增进了整个物联网与智能家庭运用的发展进程。

　　IEEE 802.15.4 所定义的完整通讯与应用层协议为ZigBee 装置彼此互联互通的基础

　　WiFi，Bluetooth与ZigBee 在智能家庭的应用中各司其职

　　One Pod Per Room的概念与使用场景

　　在One Pod per Room的概念里，WiFi传输技术负责整个智慧家庭的传输主干，利用网状WiFi网络架构来实现无死角的网络覆盖，所有的信息透过WiFi传输链接到家庭网关，再透过运营商所提供的宽带服务 (LTE, xPoN, xDSL, DOCSIS等等) 上传到云端。

　　为了能支持与其他智能设备的连结互通，在网状WiFi网络里的每个WiFi路由器必须要具备接收和传送蓝牙与ZigBee的传输技术，由于蓝牙与ZigBee都是短距离传输的技术，因此必须确保所有的指令都能被完整的传送与接收，透过Mesh网状网络的架构，每个WiFi路由器皆能完整的覆盖每一个小区域的范围，再经由WiFi 传输当骨干将每个WiFi路由互相连结进而达成全家覆盖的目标。

　　想象一个智能家庭的使用场景，一个配备有智能装置的三房两厅的家庭，分别在位在一楼的客厅、位在一楼左上角的书房、位在一楼左下角的客房与位在二楼的主卧房各安装一台WiFi 路由器，将WiFi网络环境架设为网型网络 (WiFi Mesh Network) 确保没有信号盲点，当全家人聚在客厅时，使用者可以透过WiFi和控制智能家庭管理系统来设定空调的温度，此时设置于客厅的WiFi 路由器收到调整空调温度的指令后会将指示传送给ZigBee的控制器 (Controller)，控制器再将指令透过ZigBee传输到空调的传感器，在每个房间里，家里的成员可以透过手机、平板或计算机等等具备有WiFi功能的装置去控制房间里的灯光、窗帘、空调、窗户传感器等等智能设备，此时，房间内所有智能装置的通信链接都是透过设置在房间内的那台WiFi路由器来完成，反之，当夜深人静，若有陌生人从门口或书房的窗户侵入而触动了传感器，此时传感器会透过ZigBee传输信号到客厅或书房的WiFi路由器，再经由WiFi传输到每个人的手机、平板装置进而达到警示的作用，同时启动保全机制透过预先设定好的室内电话或是移动电话直接与保全公司或是当地的警局沟通联系，以确保人身安全。

　　在可预见的未来，每个智能家庭会有将近100个传感器安装在智能家庭的环境，在中国，这件事已悄悄地发生。

　　配备无线传输技术的智能产品在智能家庭中无所不在

　　语音识别(Voice Recognition) 让智能家庭变的更“聪明”

　　人机界面对于智能家庭控制一直是个艰巨且极大的挑战，您如何教导家中的长辈“操作”各式各样的智能装置?您如何透过复杂的选单来控制家里的空调与灯光系统?想象一下，如果智能家庭中的每个智能装置都有各自的界面与应用程序，那么智能家庭带给您的并不是智能与便利，而是一个恶梦。

　　所幸，这几年在许多科技业龙头的大力推动与大数据产业的蓬勃发展下，许多新开发的人工智能科技被广泛的运用在物联网与智能家庭的运用，其中，“语音识别”是最普及且最受到重视的。

　　自从美国亚马逊推出智能音箱Echo，其风潮袭卷了全世界并影响了整个智能家庭产品的发展方向，很多公司纷纷群起效由，Google 公司的Google Home，苹果公司的 Apple HomePod，中国的腾讯、百度、阿里巴巴甚至于电商京东都推出了自己的智能音箱，姑且不论其语音识别的准确度与背后的商业运营模式，它代表着所有人都同意“语音识别”才是解决人机界面的最后一里路 (The last mile)。

　　在智能家庭的运用场景，利用语音来完成所有的指令是最直接且最方便的，对于使用者来说，不需要看使用说明书，不需要开启特定的App应用程序，不需要有繁琐的流程与手续，只要开口说就能完成所有的事，随说即用 (Speak and Play) 才是智能家庭的终极方案。

　　多样性的规范与协议为物联网生态系统与智能家庭发展带来挑战

　　先前我们提到无线网络传输技术经过十多年的发展与改革慢慢地整合收敛，物联网的标准、规范与协议也历经同样的过程，当然，新的技术还在不停的开发，但是未来两三年内不会有太多突破性的发展，不过可以预见的是每个规格之间的兼容性会愈来愈好，并且透过物联网产品开发商的努力之下，同时支持多种传输技术 (Multi-Protocol Radio) 与多种规范 (Concurrent Multi-Protocol Support) 的产品会变成主流，在某个单一无线网络传输技术与规范统一整个物联网系统之前，能兼容于多种传输技术与规范的产品才能因应市场的变化并不被制定的框架所局限。

　　多样性的规范为物联网生态系统带来挑战

　　未来会不会有一个规格一统物联网的天下?目前没有人可以提供一个明确的答案，但是多样性且充满创意的产品与应用能让万物更自由的互连互通并为人类的生活带来更多的便利，是所有科学家、软硬件设备开发商、规格制订者与解决方案提供者未来一起努力奋斗的目标。

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