洪成洋 李廣好 李志鋒

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0 引言

4G改變生活，5G改變社會(huì)。5G移動(dòng)通信技術(shù)的目標(biāo)是成為社會(huì)數(shù)字化發(fā)展的強(qiáng)力催化劑，成為按需定制滿足千行百業(yè)多樣性業(yè)務(wù)和性能需求的“專屬網(wǎng)絡(luò)”，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)智能化、業(yè)務(wù)生態(tài)化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代與新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。智慧家居上聯(lián)智慧社區(qū)與智慧城市，下貼人的每天生活。未來將有數(shù)百萬個(gè)家庭采用智能硬件，所涉及的硬件品種繁雜，數(shù)量巨大，且各種硬件對(duì)通信時(shí)延、移動(dòng)性、可靠性、隱私性和安全性等指標(biāo)有著截然不同的要求。為適配未來不同業(yè)務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，利用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)建立多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行。目前出現(xiàn)的智慧家居硬件有智能鎖、智能照明、智能電視、智能安防、智能監(jiān)控等，這些應(yīng)用使用不同的無線技術(shù)，如ZigBee、Z-wave、藍(lán)牙、WIFI、蜂窩網(wǎng)絡(luò)。在向用戶家庭引入5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，期望所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都采用5G無線技術(shù)是不切實(shí)際的，需要提出更好的解決方案。本研究提出一種共享家庭路由器的智能雙網(wǎng)切片解決方案。將5G網(wǎng)絡(luò)切片和飛蜂窩概念與3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的無線局域網(wǎng)技術(shù)（Home NodeB/Home eNodeB）相結(jié)合，詳細(xì)闡明5G網(wǎng)絡(luò)切片如何在性能、管理和安全方面有效支持智慧家居。

1 智慧家居現(xiàn)狀

如圖1所示，當(dāng)前中國(guó)家庭網(wǎng)絡(luò)主要采用非對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL）、超高速數(shù)字用戶線（VSDL）、光纖或有線電視線連接到互聯(lián)網(wǎng)。要建立家庭網(wǎng)絡(luò)，必須將路由器連接到Modem（調(diào)制解調(diào)器）。路由器可提供以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)（WLAN）的接入，方便個(gè)人電腦、服務(wù)器、電視、多媒體系統(tǒng)等終端可通過路由器的WIFI網(wǎng)或者網(wǎng)線和外網(wǎng)相連。路由器在網(wǎng)絡(luò)中扮演數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的角色，通過DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）給設(shè)備分配IP地址，然后再通過NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）方式使內(nèi)部主機(jī)的本地和因特網(wǎng)互通。

WLAN可滿足大多數(shù)智慧家居設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，其安全性差、耗電嚴(yán)重，很多物聯(lián)網(wǎng)傳感器或通信設(shè)備轉(zhuǎn)向選擇其他無線技術(shù)，比如智慧家居安全系統(tǒng)。智慧家居安全系統(tǒng)，通常由一個(gè)控制中心與一系列子系統(tǒng)組成，如防盜報(bào)警系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、電視對(duì)講門禁區(qū)系統(tǒng)、煤氣泄露探測(cè)系統(tǒng)等。智慧家居安全系統(tǒng)關(guān)系到人的生命健康，對(duì)通信安全性、時(shí)延、耗電均提出很高的要求。另外，家庭中也存在大量簡(jiǎn)單低能耗的傳感器，如智能門鎖、車庫開門器、燈光、警報(bào)器、水傳感器等，這些設(shè)備通信頻次較低，對(duì)時(shí)效不敏感，如果使用WIFI技術(shù)，則高能耗將使用戶頻繁更換電池。此外，在未來的5G智慧家居中，用戶希望部分設(shè)備可自由選擇WLAN和4G/5G接入方式。各智能設(shè)備對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)需求不一，因此迫切需要?jiǎng)?chuàng)建一種能支持所有異構(gòu)設(shè)備的新型無線家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 異構(gòu)組網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)智慧家居設(shè)備能通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到本地或區(qū)域云，本研究提出一種共享家庭路由器的智能家庭雙網(wǎng)切片解決方案。該方案用到的技術(shù)主要是LWA（LTE-WLAN Aggregation，LTE-WLAN融合）、5G網(wǎng)絡(luò)切片等，下面對(duì)相應(yīng)技術(shù)與解決方案進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.1 融合LTE WLAN無線接入

BN切片：一張物理網(wǎng)絡(luò)，多層次切片，適應(yīng)不同場(chǎng)景的SLA需求，基于SDN架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)承載網(wǎng)虛擬化和資源按需分配和統(tǒng)一調(diào)度，基于FlexE/OTN，實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)和切片安全隔離。

圖2 （a）非共址部署模型/（b）共址部署模型

人類社會(huì)發(fā)展的每一次變革，都伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，都離不開技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造。人類社會(huì)發(fā)展的歷史，就是創(chuàng)新發(fā)明作為驅(qū)動(dòng)力開創(chuàng)新時(shí)代的歷史。蒸汽機(jī)是開創(chuàng)工業(yè)時(shí)代的驅(qū)動(dòng)力，電力是開創(chuàng)電氣時(shí)代的驅(qū)動(dòng)力，那么，集成電路則是開創(chuàng)信息時(shí)代的驅(qū)動(dòng)力。集成電路作為信息時(shí)代的核心基石，讓計(jì)算機(jī)、手提電話、家用電器、交通工具、高速列車、互聯(lián)網(wǎng)、精密醫(yī)療器械、人工智能、自動(dòng)化控制等各種電子產(chǎn)品和系統(tǒng)，應(yīng)運(yùn)而生。集成電路代表著當(dāng)今世界微細(xì)制造的最高水平，深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的方方面面，被喻為“工業(yè)的糧食”，是國(guó)防的安全保障，是國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

綜上所述，在整個(gè)施工項(xiàng)目的施工過程中進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)施工管理具有重要意義。對(duì)于市政工程企業(yè)的穩(wěn)定，長(zhǎng)期，高效發(fā)展來說，有必要加強(qiáng)對(duì)施工技術(shù)的管理。因此，提高建設(shè)項(xiàng)目的施工質(zhì)量和確保項(xiàng)目按時(shí)完成，鼓勵(lì)市政工程公司取得更多的經(jīng)濟(jì)效益，必須實(shí)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)，社會(huì)和環(huán)境”的和諧統(tǒng)一發(fā)展。

RAN切片：統(tǒng)一空口，靈活支撐差異化場(chǎng)景需求、參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)物理資源的靈活分配，CU靈活支持專用硬件部署和云化部署。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片整體概念示意圖

CN切片：基于SBA的5G CN，跨DC按需部署，彈性伸縮，服務(wù)化定制和分布式部署，滿足各場(chǎng)景SLA需求，綜合可靠性、成本等訴求，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)靈活共享。

飛蜂窩路由器是現(xiàn)有的用戶端產(chǎn)品，能提供融合LTE WLAN無線接入技術(shù)。它通過公用IP網(wǎng)接入，內(nèi)有一個(gè)與手機(jī)相似的SIM卡，存有設(shè)備信息、身份信息和配置信息，加電后，通過該SIM卡向網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行認(rèn)證和鑒權(quán)，完成注冊(cè)后建立連接。飛蜂窩使用IP協(xié)議，能通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠(yuǎn)端由專用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動(dòng)網(wǎng)的聯(lián)通。大小與ADSL調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動(dòng)配置、自動(dòng)網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點(diǎn)。其具有1個(gè)載波，足夠滿足智慧家居IoT設(shè)備通信需求。飛蜂窩可看作是一個(gè)小型室內(nèi)移動(dòng)基站，在系統(tǒng)中充當(dāng)通信物理層基礎(chǔ)，對(duì)于家庭雙網(wǎng)切片解決方案，還需要擴(kuò)展以包括WLAN家庭路由器。此外，它必須連接到兩個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)切片，以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的設(shè)備。

3 智能家庭雙網(wǎng)切片解決方案

5G網(wǎng)絡(luò)作為4G的后繼者，具有高速率、低時(shí)延、大容量等特征。在三大應(yīng)用場(chǎng)景——增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）、高可靠低時(shí)延通信（URLLC）有著廣泛應(yīng)用，商業(yè)價(jià)值巨大。為實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)性目標(biāo)，5G標(biāo)準(zhǔn)提出網(wǎng)絡(luò)切片解決方案，接下來將簡(jiǎn)要闡明5G切片技術(shù)，為后續(xù)引入5G切片技術(shù)到智慧家居提供理論基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的方式，可以讓運(yùn)營(yíng)商根據(jù)與客戶簽訂的SLA（Service level Agreement）業(yè)務(wù)服務(wù)協(xié)議，在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，為不同垂直行業(yè)、不同客戶、不同業(yè)務(wù)，提供相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片從無線接入網(wǎng)承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)上進(jìn)行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應(yīng)用。

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)切片由網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例承載，網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例是一個(gè)部署的網(wǎng)絡(luò)切片，包括一些網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例及所需的資源（例如計(jì)算資源、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)資源）。切片既可基于傳統(tǒng)的專有硬件構(gòu)建，也可基于NFV/SDN的通用基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建。運(yùn)營(yíng)商可以基于統(tǒng)一平臺(tái)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)低成本高效運(yùn)營(yíng)。通常在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中，至少可分為無線接入網(wǎng)子切片（RAN切片）、傳輸承載網(wǎng)子切片（CN切片）和核心網(wǎng)子切片（BN切片）三部分。

LWA是一項(xiàng)利用特定非授權(quán)頻段傳輸用戶數(shù)據(jù)的分流技術(shù)，允許在考慮信道條件的同時(shí)，在子承載級(jí)拆分單個(gè)承載（或單個(gè)IP流），保證所有應(yīng)用程序同時(shí)使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN接入，而無需任何應(yīng)用程序級(jí)別的增強(qiáng)，能顯著提升無線通信能力。3GPP協(xié)議已記載移動(dòng)設(shè)備可通過LWA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同時(shí)支持4G和WLAN。但5G規(guī)范并無此項(xiàng)記錄，因此現(xiàn)在考慮將LMA技術(shù)引入到5G網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建WiFi-4G/5G耦合接入模型，圖2所示，給出兩種部署方式——非共址部署方式和共址部署方式。在非共址部署模型中，現(xiàn)有WLAN架構(gòu)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)集成，eNB（eNodeB）通過WLAN無線終端（Wireless Terminal，WT）經(jīng)由Xw接口與WLAN AP連接。在共址部署方式中，eNB和WLAN AP實(shí)體通過理想鏈路連接并集成于公共節(jié)點(diǎn)中，這種eNB與WLAN被集成在同一臺(tái)實(shí)體終端上的共址部署方式更適合家庭部署。

圖4 智慧家居切片雙網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)

智慧家居網(wǎng)絡(luò)管理可通過構(gòu)建兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

商業(yè)賄賂犯罪具有隱蔽性的特點(diǎn)，行賄者、受賄者雙方由于存在共同的利害關(guān)系，往往相互串通，相互包庇，偵查工作進(jìn)行緩慢。加上我國(guó)目前偵查手段不完善，偵查方式相對(duì)單一，因此采用一定的偵查技術(shù)是打擊商業(yè)賄賂的迫切要求。

這種部署方式非常適合家庭，實(shí)驗(yàn)已證明利用飛蜂窩路由器搭建智能家庭雙網(wǎng)絡(luò)方案具備可行性。不足之處：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)導(dǎo)致性能和端到端延遲問題，盡管這一點(diǎn)在小型的家庭網(wǎng)絡(luò)不明顯。

另一個(gè)需要考慮的問題是網(wǎng)絡(luò)切片安全。為了保證5G智慧家居網(wǎng)絡(luò)的安全，本智慧家居解決方案引入了一個(gè)安全身份機(jī)制，可以管理連接到網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備的身份。不同的設(shè)備在首次連接時(shí)，需在飛蜂窩路由器管理平臺(tái)上為設(shè)備設(shè)置ID，預(yù)置切片接入模式，設(shè)置管理員密碼等，以保證在網(wǎng)絡(luò)切片選擇、會(huì)話建立等流程中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的安全，以及各網(wǎng)絡(luò)功能間的交互及協(xié)議安全。

4 結(jié)束語

未來室內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)將成為與“水、電、氣”同等重要的物業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，成為運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)商業(yè)變現(xiàn)的“引擎”。本研究重點(diǎn)探究5G切片賦能智慧家居的技術(shù)可行性。在目前標(biāo)準(zhǔn)上，無線側(cè)功能設(shè)計(jì)能夠滿足切片流程需求。就切片SLA（業(yè)務(wù)服務(wù)協(xié)議），特別是RAN如何滿足以及是否能夠滿足SLA需要進(jìn)一步研究，所述問題得到妥善解決，5G技術(shù)與智慧家居的未來值得期待。