摘 要： 隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居應(yīng)用已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢，利用TD?LTE技術(shù)作為智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)是一種方便有效的方法。首先介紹了智能家居系統(tǒng)包含的內(nèi)容及其架構(gòu)，分析了智能家居系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)的需求，在此基礎(chǔ)上介紹TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)及功能，并基于LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后結(jié)合實(shí)際情況指出了LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面所面臨的問題。

關(guān)鍵詞： 智能家居系統(tǒng)； TD?LTE； 物聯(lián)網(wǎng)； E?UTRAN； EPC

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0046?04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的主要宗旨是將不同行業(yè)或產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)相融合以產(chǎn)生能夠?qū)κ鼙娪幸饬x的解決方案。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的一種方案，旨在為用戶提供一個(gè)舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。

2013年12月4日，我國4G牌照正式發(fā)放，TD?LTE一時(shí)成為了熱點(diǎn)，此前已經(jīng)在100個(gè)城市建立TD?LTE試驗(yàn)網(wǎng)，其技術(shù)也日臻成熟。TD?LTE為智能家居系統(tǒng)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)保障，同時(shí)智能家居也將促進(jìn)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用。二者融合發(fā)展、互為促進(jìn)，必將提供新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

1 智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

智能家居屬于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的一種，它是以居民住宅為平臺(tái)，通過利用計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化等技術(shù)，將智能家電、照明、安防環(huán)境控制等集成一體，通過有效的控制，為居民提供一個(gè)舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居是融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)，其主要的內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)[1?2]：

（1） 家居控制系統(tǒng)：智能家居的主體是家居自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對家庭照明、環(huán)境、電器等的本地及遠(yuǎn)程控制。用戶可以通過智能遙控器或移動(dòng)終端對所有智能終端方便快捷的控制，達(dá)到預(yù)期的生活環(huán)境。

（2） 影音共享系統(tǒng)：用戶可以通過高速的通信網(wǎng)絡(luò)獲取所需的視頻和音頻文件，然后通過影音共享系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多終端設(shè)備的快速共享，使用戶可以通過不同的終端進(jìn)行觀賞。

（3） 家居安防系統(tǒng)：家居安防系統(tǒng)主要包括安防警報(bào)系統(tǒng)和安防監(jiān)控系統(tǒng)。其中安防警報(bào)系統(tǒng)包括防盜、防燃?xì)庑孤?、防火等功能，安防監(jiān)控系統(tǒng)對家庭內(nèi)部情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，安防系統(tǒng)可以立即通過移動(dòng)終端通知用戶，以方便用戶監(jiān)聽或者監(jiān)視家庭內(nèi)部情況。同時(shí)用戶可以通過移動(dòng)終端對安防系統(tǒng)進(jìn)行布撤防控制。

智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)相同[3]，主要包括三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中：

感知層主要實(shí)現(xiàn)智能感知功能，包括信息采集、捕獲、物體識別等，其關(guān)鍵技術(shù)包括RFID、傳感器、自組織網(wǎng)絡(luò)、短距離無線通信等。

網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳送和通信。網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，也可以同時(shí)依托公眾網(wǎng)和專用網(wǎng)。

應(yīng)用層為用戶提供豐富的服務(wù)功能。用戶通過智能終端在應(yīng)用層上定制需要的服務(wù)，如查詢信息、監(jiān)控信息、控制信息等。

從體系結(jié)構(gòu)來看，全面的數(shù)據(jù)采集是智能家居系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為了傳送隨時(shí)隨地采集的數(shù)據(jù)，智能家居系統(tǒng)必須通過網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)層是智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 智能家居系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)需求分析

智能家居系統(tǒng)要求能與用戶實(shí)時(shí)完成信息的交互，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)主要是將內(nèi)部的傳感器網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)為用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)。隨著智能移動(dòng)終端的普及以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，同時(shí)由于移動(dòng)通信具有覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小，方便接入等優(yōu)點(diǎn)，將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為智能家居系統(tǒng)的承載網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)更好地發(fā)揮智能家居系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2.1 MTC網(wǎng)絡(luò)需求分析

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)是為人與人（H2H）通信業(yè)服務(wù)的，滿足H2H的業(yè)務(wù)需求。而機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信與H2H通信存在著很多的不同之處，其終端的數(shù)量分布、產(chǎn)生數(shù)據(jù)特點(diǎn)、傳輸特性等都有很大的差別，完全沿用傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的效率、成本和適用性都無法達(dá)到最優(yōu)。為了使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持 M2M 業(yè)務(wù)，3GPP 早在2005 年9 月就開展了移動(dòng)通信系統(tǒng)支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究，針對物聯(lián)類業(yè)務(wù)MTC（Machine Type Communication）的特性總結(jié)了16類網(wǎng)絡(luò)需求，如表1所示。

2.2 智能家居通信業(yè)務(wù)需求分析

按照對通信業(yè)務(wù)的不同需求，智能家居系統(tǒng)可以分為控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要包括家庭內(nèi)部高速上網(wǎng)、影音設(shè)備共享、監(jiān)控圖像傳輸?shù)龋枰苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)可以提供高速的通信能力；控制網(wǎng)絡(luò)主要通過移動(dòng)終端對家居包括照明、環(huán)境、安防等方面進(jìn)行狀態(tài)查詢和實(shí)時(shí)控制，其主要產(chǎn)生的是小包、高頻次的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

表1 MTC網(wǎng)絡(luò)需求分析

根據(jù)以上信息可以歸納出智能家居系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)層的需求有以下幾類特征。

（1） 低移動(dòng)性：智能家居終端多處于固定的位置，少量設(shè)備可以移動(dòng)，且屬于低速移動(dòng)。針對低移動(dòng)特性，網(wǎng)絡(luò)可以延長移動(dòng)性管理周期，以減少網(wǎng)絡(luò)開銷。降低終端功耗，提高無線資源利用率。

（2） 延時(shí)：對于家居的控制人們更希望“物隨心動(dòng)”，自己發(fā)起的指令，控制系統(tǒng)可以立即執(zhí)行；而安防系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的將異常情況快速反應(yīng)給自己。這就需要通信網(wǎng)絡(luò)有延時(shí)小，以達(dá)到實(shí)時(shí)的目的。

（3） 業(yè)務(wù)的突發(fā)性和廣泛性：智能終端可能隨時(shí)隨地發(fā)起業(yè)務(wù)，比如安防報(bào)警系統(tǒng)等。所以網(wǎng)絡(luò)必須保持覆蓋范圍廣，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的冗余性，以處理突發(fā)業(yè)務(wù)。

（4） 業(yè)務(wù)寬帶化：為使用戶有更好的影音體驗(yàn)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更快速的傳輸，高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力是必不可少的，這就需要網(wǎng)絡(luò)的寬帶化。

（5） 安全性：物聯(lián)網(wǎng)廣泛部署的傳感器通過射頻無線信號進(jìn)行信息采集、處理、傳輸和響應(yīng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷成熟，更多的關(guān)鍵信息也可能通過物聯(lián)網(wǎng)傳遞，因此，信息的安全接入和傳遞是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必要條件。

3 基于TD?LTE智能家居實(shí)現(xiàn)方案

3.1 TD?LTE關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

TD?LTE系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)采用更加扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中eNodeB是E?UTRAN惟一節(jié)點(diǎn)，它集合了3G系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)Node B和RNC節(jié)點(diǎn)的無線資源管理的全部功能。eNodeB與核心網(wǎng)EPC通過S1接口連接，S1接口提供訪問無線接入網(wǎng)的無線資源；eNodeB節(jié)點(diǎn)之間采用X2接口互相連接，可以實(shí)現(xiàn)多對多的連接關(guān)系。該接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低了控制平面和用戶平面的時(shí)延，使無線接入終端從駐留狀態(tài)轉(zhuǎn)換到激活狀態(tài)的時(shí)延在100 ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延在10 ms以內(nèi)，完全能夠滿足智能家居系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和數(shù)據(jù)傳送時(shí)間。

圖1 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

TD?LTE 采用MIMO 關(guān)鍵技術(shù)，基站采用相同的時(shí)頻域資源與多個(gè)用戶同時(shí)通信，利用多天線提供的空間自由度分離用戶，可以通過復(fù)用有效地提高小區(qū)平均吞吐量和系統(tǒng)容量。

TD?LTE中傳輸技術(shù)采用OFDM調(diào)制技術(shù)，將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流， 調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，并通過層二調(diào)度器對無線資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。使得無線信道的使用更靈活、更有效率，特別適用于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)這樣的小數(shù)據(jù)包、高頻次、常在線業(yè)務(wù)。同時(shí)通過采用循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。

LTE的峰值數(shù)據(jù)速率為上行50 Mb/s，下行100 Mb/s。如此高的傳輸速率，能夠傳送圖像質(zhì)量更好的視頻流，提供更為豐富的多媒體服務(wù)。

LTE網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)都設(shè)有安全保護(hù)：接入網(wǎng)由eNodeB和UE 提供無線資源控制信令完整性保護(hù)和機(jī)密性保護(hù)；核心網(wǎng)由MME和UE 執(zhí)行NAS 信令的加密和完整性保護(hù)。以此來保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

3.2 基于TD?LTE的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過上節(jié)的分析，可以看出TD?LTE技術(shù)能夠更好地滿足、適應(yīng)智能家居系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)的需求，是承載智能家居系統(tǒng)的很好選擇，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在具體的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)方面，為了承載智能家居業(yè)務(wù)，需要從家庭網(wǎng)關(guān)、接入網(wǎng)（E?UTRAN）、核心網(wǎng)（EPC）三個(gè)層次討論應(yīng)用方案。

3.2.1 家庭網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享、同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)關(guān)一般還同時(shí)負(fù)責(zé)家庭智能設(shè)備的管理和控制。由于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通過藍(lán)牙、Wi?Fi、ZigBee等不同的通信方式組網(wǎng)，需要由家庭網(wǎng)關(guān)通過特定的通信協(xié)議接入TD?LTE網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)借助相應(yīng)的外部擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的控制和管理。家庭網(wǎng)關(guān)可以將采集的物聯(lián)網(wǎng)信息通過相應(yīng)的接口上傳到EUTRAN。由于TD?LTE支持上行峰值速率達(dá)50 Mb/s，所以在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期，TD?LTE無線網(wǎng)完全可以滿足其業(yè)務(wù)需求。家庭網(wǎng)關(guān)可以通過多種家電設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)等，隨著嵌入式CPU處理器運(yùn)算速度的提升和存儲(chǔ)容量的擴(kuò)大，嵌入式系統(tǒng)成為家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)最主要的應(yīng)用技術(shù)。

3.2.2 接入網(wǎng)

E?UTRAN接入網(wǎng)主要由演進(jìn)型eNodeB構(gòu)成，eNodeB在NodeB原有功能基礎(chǔ)上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC、調(diào)度、接入控制、承載控制、移動(dòng)性管理和inter?cell RRM等功能。這種結(jié)構(gòu)類似于典型的IP寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)將對3GPP系統(tǒng)的體系架構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 核心網(wǎng)

核心網(wǎng)主要由移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S?GW）、PDN網(wǎng)關(guān)（P?GW）、用于存儲(chǔ)用戶簽約信息的歸屬用戶服務(wù)器（HSS）等組成。核心網(wǎng)是一個(gè)提供全I(xiàn)P連接的承載網(wǎng)絡(luò)，對所有的基于IP的業(yè)務(wù)都是開放的，能提供所有基于IP業(yè)務(wù)的能力集。

MME提供UE和LTE核心網(wǎng)絡(luò)的信令交互；S?GW 與P?GW實(shí)現(xiàn)會(huì)話管理、路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、QoS控制、計(jì)費(fèi)以及存儲(chǔ)信息等功能；為智能終端與應(yīng)用平臺(tái)、管理平臺(tái)之間提供通道；HSS用于存儲(chǔ)用戶簽約信息，例如智能終端的標(biāo)識、編號和安全信息等。

3.3 基于LTE網(wǎng)絡(luò)存在的問題

對于H2H通信方面，LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)投入使用，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，LTE網(wǎng)絡(luò)仍然存在一些問題。

（1） 由于LTE技術(shù)剛剛興起，網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目前以城市及熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)橹?，然后逐步向縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域發(fā)展。由于農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)公眾用戶對高速率數(shù)據(jù)需求不明顯，同時(shí)，目前TDD可用的頻率主要集中在2 GHz，廣域覆蓋能力相對較弱，實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋需要大量基站；因此LTE在各地區(qū)的覆蓋區(qū)域有很大的差異， 要實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的實(shí)施業(yè)務(wù)還需要一定的距離。

（2） 現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)處于發(fā)展初期，智能終端的數(shù)量較少，現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能力完全可以滿足通信需求。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，智能終端的數(shù)量會(huì)急劇增加，據(jù)預(yù)測，到2020年M2M與現(xiàn)有H2H通信互聯(lián)比例將達(dá)到30[∶]1，即可能從60億人口擴(kuò)展到500億乃至上萬億的MTC[4]，當(dāng)如此龐大數(shù)量的智能終端以無線方式連接時(shí)，目前通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬是絕對無法承載的。

（3） 當(dāng)大量的智能終端集中在某個(gè)區(qū)域以及某個(gè)時(shí)刻接入時(shí)，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)容量負(fù)荷和信令風(fēng)暴，這也是未來LTE網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題。

4 結(jié) 語

盡管智能家居已經(jīng)發(fā)展了將近10年，但真正的物聯(lián)網(wǎng)智能家居是近幾年隨著無線通信技術(shù)的不斷成熟才開始發(fā)展起來的，從有線到無線這是一個(gè)偉大的變革。TD?LTE網(wǎng)絡(luò)融合各種無線接入、與互聯(lián)網(wǎng)無縫連接及其高吞吐量、QoS保障，必將智能家居的發(fā)展帶到一個(gè)新的高度。盡管LTE系統(tǒng)建設(shè)處于初級階段，在成本、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模方面還有待完善，但是隨著技術(shù)的成熟及人們需求的增加，LTE必定為人們提供一種完美的通信方式。

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