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        (2020年江蘇省通信學(xué)會“華蘇杯”論文征集二等獎)5G切片技術(shù)在智慧家居場景下的應(yīng)用研究

        2022-05-23 10:23:42洪成洋李廣好李志鋒
        江蘇通信 2022年2期
        關(guān)鍵詞:路由器家居切片

        洪成洋 李廣好 李志鋒

        中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司

        0 引言

        4G改變生活,5G改變社會。5G移動通信技術(shù)的目標(biāo)是成為社會數(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,且各種硬件對通信時延、移動性、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,實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”,利用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)建立多個邏輯網(wǎng)絡(luò)勢在必行。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,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)前中國家庭網(wǎng)絡(luò)主要采用非對稱數(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),通常由一個控制中心與一系列子系統(tǒng)組成,如防盜報警系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、電視對講門禁區(qū)系統(tǒng)、煤氣泄露探測系統(tǒng)等。智慧家居安全系統(tǒng)關(guān)系到人的生命健康,對通信安全性、時延、耗電均提出很高的要求。另外,家庭中也存在大量簡單低能耗的傳感器,如智能門鎖、車庫開門器、燈光、警報器、水傳感器等,這些設(shè)備通信頻次較低,對時效不敏感,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)備對通信網(wǎng)絡(luò)需求不一,因此迫切需要創(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)不同場景的SLA需求,基于SDN架構(gòu),實現(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,實現(xiàn)超低時延轉(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。人類社會發(fā)展的歷史,就是創(chuàng)新發(fā)明作為驅(qū)動力開創(chuàng)新時代的歷史。蒸汽機(jī)是開創(chuàng)工業(yè)時代的驅(qū)動力,電力是開創(chuàng)電氣時代的驅(qū)動力,那么,集成電路則是開創(chuàng)信息時代的驅(qū)動力。集成電路作為信息時代的核心基石,讓計算機(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,深入到國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的方方面面,被喻為“工業(yè)的糧食”,是國防的安全保障,是國家綜合競爭力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

        2.2 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

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

        RAN切片:統(tǒng)一空口,靈活支撐差異化場景需求、參數(shù)配置,實現(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)自動進(jìn)行認(rèn)證和鑒權(quán),完成注冊后建立連接。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)實現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動網(wǎng)的聯(lián)通。大小與ADSL調(diào)制解調(diào)器相似,具有安裝方便、自動配置、自動網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點。其具有1個載波,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小型室內(nèi)移動基站,在系統(tǒng)中充當(dāng)通信物理層基礎(chǔ),對于家庭雙網(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、低時延、大容量等特征。在三大應(yīng)用場景——增強(qiáng)移動寬帶(eMBB)、海量機(jī)器類通信(mMTC)、高可靠低時延通信(URLLC)有著廣泛應(yīng)用,商業(yè)價值巨大。為實現(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)切片實例承載,網(wǎng)絡(luò)切片實例是一個部署的網(wǎng)絡(luò)切片,包括一些網(wǎng)絡(luò)功能實例及所需的資源(例如計算資源、存儲及網(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)營商可以基于統(tǒng)一平臺構(gòu)建,實現(xiàn)低成本高效運(yùn)營。通常在一個網(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,在子承載級拆分單個承載(或單個IP流),保證所有應(yīng)用程序同時使用移動網(wǎng)絡(luò)和WLAN接入,而無需任何應(yīng)用程序級別的增強(qiáng),能顯著提升無線通信能力。3GPP協(xié)議已記載移動設(shè)備可通過LWA技術(shù)來實現(xiàn)同時支持4G和WLAN。但5G規(guī)范并無此項記錄,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實體通過理想鏈路連接并集成于公共節(jié)點中,這種eNB與WLAN被集成在同一臺實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)建兩個網(wǎng)絡(luò)切片來實現(xiàn),如圖4所示。

        商業(yè)賄賂犯罪具有隱蔽性的特點,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。加上我國目前偵查手段不完善,偵查方式相對單一,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,實驗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)可能會導(dǎo)致性能和端到端延遲問題,盡管這一點在小型的家庭網(wǎng)絡(luò)不明顯。

        另一個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,需在飛蜂窩路由器管理平臺上為設(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、會話建立等流程中,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的安全,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)營商5G網(wǎng)絡(luò)商業(yè)變現(xiàn)的“引擎”。本研究重點探究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。

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