［丁智 彭海燕 秦潔 瞿水華 許樂(lè)飛］

1 引言

根據(jù)國(guó)家住建部《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》（2022），“十四五”期間，存量建筑節(jié)能改造面積在2025 年達(dá)到3.5 億平方米，同時(shí)，每年還有3.7 億平方米的寫字樓新增規(guī)模。不論是新建樓宇的智能樓控系統(tǒng)建設(shè)，還是存量建筑樓宇的數(shù)字化智能化改造，都是一個(gè)長(zhǎng)期的巨大市場(chǎng)。在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略牽引下，智能樓宇系統(tǒng)部署的增長(zhǎng)是一個(gè)較為確定的方向。傳統(tǒng)的樓宇智能化改造需要穿線布網(wǎng)，存在投入大、工程難度大、工期長(zhǎng)等難點(diǎn)。當(dāng)前，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)部署大量的5G室內(nèi)覆蓋基站，具備良好的5G 公網(wǎng)覆蓋基礎(chǔ)，通過(guò)復(fù)用5G 公網(wǎng)，采用網(wǎng)絡(luò)切片方式開通5G智慧樓宇專網(wǎng)，為智能樓宇系統(tǒng)免布線聯(lián)網(wǎng)提供了極強(qiáng)的便利性、靈活性、具有較高性價(jià)比，有著廣泛的應(yīng)用前景。[1]

2 5G LAN 的關(guān)鍵技術(shù)

基于3GPP R15版本設(shè)計(jì)的5G專網(wǎng)不支持二層通信，一個(gè)三層的組網(wǎng)要與園區(qū)原有二層（局域網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，在一個(gè)5 G CPE 收納多個(gè)終端的場(chǎng)景，需在端側(cè)和服務(wù)器側(cè)對(duì)齊部署AR 路由器實(shí)現(xiàn)L3 與L2 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)一對(duì)設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)二層通信，這種方案成本高，組網(wǎng)復(fù)雜；在終端對(duì)終端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場(chǎng)景下，CPE 需簽約固定IP，也會(huì)帶來(lái)一定的運(yùn)維復(fù)雜度。

R16 版本定義5G LAN 技術(shù)，引入組管理、本地轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)隧道三個(gè)特性，支持極簡(jiǎn)組網(wǎng)和組內(nèi)全互連二層通信。[2]當(dāng)終端開機(jī)后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)在默認(rèn)的IP PDU（packet data unit）session 基礎(chǔ)上，新建一個(gè)以太PDU session，并以5G LAN 組播以及IGMP snooping 設(shè)備自發(fā)現(xiàn)和自動(dòng)配置的方式完成端到端的業(yè)務(wù)能力，最終實(shí)現(xiàn)5G 連接替代有線連接，支持管理服務(wù)器與控制器之間的二層通信需求，并實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)架構(gòu)的扁平化，5GLAN協(xié)議如圖1所示。

圖1 5G LAN 協(xié)議棧

基于智能樓宇中樓宇控制場(chǎng)景，如圖2 所示，本文提出采用5G LAN 技術(shù)建設(shè)端到端應(yīng)用示范，驗(yàn)證5G LAN組播以及IGMP（Internet Group Management Protocol，Internet 組管理協(xié)議）snooping 設(shè)備自發(fā)現(xiàn)和自動(dòng)配置等5G LAN 的功能和性能。[3]

圖2 樓宇環(huán)境控制系統(tǒng)示意圖

如圖3 所示，組播的目標(biāo)是讓某個(gè)頻道的組播源（如PC4）只發(fā)一路數(shù)據(jù)，就能讓所有當(dāng)前注冊(cè)接收該頻道的組成員（如PC1 和PC3）都能收到數(shù)據(jù)（如圖中綠色實(shí)線），而沒(méi)有注冊(cè)接收該頻段的設(shè)備（如PC2）不能收到數(shù)據(jù)。

圖3 IGMP snooping 交換機(jī)組播轉(zhuǎn)發(fā)基本原理

IGMP 協(xié)議，是當(dāng)前最主流的組播成員管理協(xié)議。IGMP Snooping 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)組播關(guān)系的功能（這里的交換機(jī)在5G 組網(wǎng)里即為支持IGMP Snooping 功能的5G 核心網(wǎng)）。為了讓交換機(jī)能動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)到組播關(guān)系，PC1 和PC3 加入該頻道時(shí)，需要向交換機(jī)設(shè)備發(fā)送IGMP report 報(bào)文（如圖中綠色虛線），報(bào)文中用一個(gè)預(yù)先約定的組播字段標(biāo)識(shí)組播組（即頻道），IGMP Snooping 交換機(jī)分析收到的IGMP report 報(bào)文，就可以內(nèi)部建立頻道與組成員相連端口的組播關(guān)系，隨后交換機(jī)收到組播源的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，就可以按照組播關(guān)系將組播數(shù)據(jù)報(bào)文復(fù)制多份，按需發(fā)給各個(gè)組播成員，實(shí)現(xiàn)組播源到組播成員一對(duì)多的組播，且不會(huì)發(fā)送到不參與組播的設(shè)備（例如PC2）。

流程說(shuō)明如下：

（1）PC1 發(fā)出IGMP report 報(bào)文，動(dòng)態(tài)注冊(cè)加入IGMP組1（組播IP 如224.0.0.180 標(biāo)識(shí)），IGMP snooping 交換機(jī)識(shí)別IGMP 報(bào)文，更新組播轉(zhuǎn)發(fā)表。

（2）PC3 發(fā)出IGMP report 報(bào)文，也動(dòng)態(tài)注冊(cè)加入IGMP 組1，IGMP snooping交換機(jī)更新組播轉(zhuǎn)發(fā)表。

（3）組播源發(fā)出組播業(yè)務(wù)報(bào)文，目的IP填充為224.0.0.180，經(jīng)IGMP snooping交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）IGMP snooping 交換識(shí)別組播業(yè)務(wù)報(bào)文中的組播IP/MAC，根據(jù)組播轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)發(fā)給PC1 和PC3。

組播以及利用IGMP 協(xié)議構(gòu)建組播組是智能樓宇系統(tǒng)默認(rèn)的使用方式。樓宇系統(tǒng)設(shè)備面臨著海量樓宇的場(chǎng)景交付，必須在設(shè)備安裝后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化配置功能，這樣可以避免安裝人員的技能要求。

樓宇系統(tǒng)控制器在發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)前都會(huì)預(yù)配置一個(gè)組播組標(biāo)識(shí)（頻道，各系統(tǒng)、各個(gè)設(shè)備廠商有其約定俗成的差異），控制器聯(lián)網(wǎng)后，會(huì)通過(guò)IGMP report 報(bào)文（如圖綠色虛線）注冊(cè)到預(yù)配置的組播組中，IGMP Snooping 路由器分析IGMP report 報(bào)文并動(dòng)態(tài)創(chuàng)建組播關(guān)系。如基于5G 網(wǎng)絡(luò)，控制器聯(lián)網(wǎng)即通過(guò)5G CPE 實(shí)現(xiàn)，而IGMP Snooping 路由器則由5G 核心網(wǎng)（UPF）實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示。DICP 客戶端作為組播源，可以向組播組一對(duì)多的發(fā)送組播報(bào)文（如圖綠色實(shí)線），這里包括控制器設(shè)備的IP 地址、最新的軟件版本、參數(shù)配置等，從而實(shí)現(xiàn)控制器設(shè)備的自發(fā)現(xiàn)和自動(dòng)配置集中下發(fā)的過(guò)程，簡(jiǎn)化了智能樓宇中大量控制器的部署過(guò)程，并對(duì)控制器設(shè)備安裝配屬的技能要求最小化。此外，各個(gè)系統(tǒng)、各個(gè)設(shè)備廠商的設(shè)備也基于此過(guò)程實(shí)現(xiàn)了不同組的劃分，做到了組隔離的作用。

圖4 5G LAN 的IGMP 組播增強(qiáng)在智能樓控中的應(yīng)用

5G LAN 應(yīng)用于智能樓控其優(yōu)勢(shì)可以概括為“四個(gè)不變”：應(yīng)用不變，針對(duì)企業(yè)應(yīng)用中采用廣播或組播通信，無(wú)需重構(gòu)；拓?fù)洳蛔?，保持原本有線組網(wǎng)，保持組間隔離關(guān)系；配置不變，保持企業(yè)（固定）IP 分配，無(wú)需對(duì)接或修改對(duì)接配置；性能不變，最大程度保證時(shí)延抖動(dòng)、可靠性指標(biāo)。從而大大降低了傳統(tǒng)樓宇控制系統(tǒng)的改造的施工復(fù)雜度和建設(shè)周期。

3 基于5G LAN 及NB-IoT 融合組網(wǎng)的樓宇智能化改造實(shí)踐

基于以上理論分析，本文項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展了深圳某存量樓宇新風(fēng)系統(tǒng)改造為例，引入包括5G 核心網(wǎng)、5G 基站、5G 終端在內(nèi)的5G LAN 端到端能力，支持樓內(nèi)的各級(jí)、各類控制器（RWG、PXC 等）及其與樓宇系統(tǒng)管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)5G 化全連接。采用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的采集上報(bào)，采用5G LAN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)新風(fēng)機(jī)一級(jí)和二級(jí)控制機(jī)器及其空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)器之間的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇的空調(diào)基礎(chǔ)溫度和二氧化碳的自動(dòng)控制，達(dá)到節(jié)能環(huán)保，提升效率的目標(biāo)。

3.1 樓宇新風(fēng)系統(tǒng)改造總體方案

本項(xiàng)目改造樓宇在10 余年前投入建設(shè)一套新風(fēng)系統(tǒng)及盤管空調(diào)系統(tǒng)。如圖5 所示，系統(tǒng)的工作原理如下：

圖5 本項(xiàng)目樓宇新風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)圖

（1）大樓通過(guò)冷源設(shè)備將固定溫度冷水送至新風(fēng)機(jī)組和盤管空調(diào)

（2）新風(fēng)系統(tǒng)：新風(fēng)機(jī)組將室外新風(fēng)經(jīng)過(guò)濾后由新風(fēng)管道帶到各個(gè)房間。新風(fēng)機(jī)組配有冷水閥門，可根據(jù)需要確定是否對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)制冷。

（3）空調(diào)：每個(gè)房間安裝有獨(dú)立的風(fēng)機(jī)盤管，冷水源通過(guò)室內(nèi)部署的管道將冷水送至各個(gè)房間的盤管，風(fēng)機(jī)通過(guò)吹盤管將空氣制冷并由空調(diào)出風(fēng)口送出。房間內(nèi)的溫控器可以由人員來(lái)控制盤管空調(diào)的開關(guān)，即控制盤管風(fēng)機(jī)和冷水閥門。人員也可以通過(guò)調(diào)整溫控器上的溫度來(lái)控制風(fēng)機(jī)的工作。

該樓宇新風(fēng)機(jī)組是典型的非數(shù)字化系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組控制箱內(nèi)僅設(shè)計(jì)了開關(guān)控制按鈕。此外，新風(fēng)機(jī)組也未安裝任何傳感器設(shè)備進(jìn)行空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集以更智能化的控制開關(guān)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致如果新風(fēng)機(jī)組全天開啟無(wú)疑會(huì)大量浪費(fèi)能耗，如需基于室內(nèi)空氣質(zhì)量或人員舒適度去不斷啟停又需要專人管理，這無(wú)疑非常困難。這個(gè)兩難局面最終導(dǎo)致的結(jié)果是該樓宇新風(fēng)機(jī)組長(zhǎng)期處于關(guān)停狀態(tài)，樓內(nèi)人員長(zhǎng)期開著窗戶進(jìn)行換氣，一方面造成設(shè)備浪費(fèi)和人員體驗(yàn)不佳，另一方面在夏天空調(diào)開啟下開窗也會(huì)導(dǎo)致能耗大量消耗。

針對(duì)該樓控系統(tǒng)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，本文研究采用5G LAN 的全連接技術(shù)對(duì)其樓控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化、智能化改造。[4]而在改造過(guò)程中，引入全無(wú)線化的理念，免于布線快速施工，一方面避免樓宇結(jié)構(gòu)的破壞，另一方面也對(duì)業(yè)主日常業(yè)務(wù)影響達(dá)到最小化，樓宇控制結(jié)構(gòu)示意如圖6 所示。

圖6 樓宇控制結(jié)構(gòu)示意圖

首先，針對(duì)每臺(tái)新風(fēng)機(jī)組，增加一套DDC（direct digital control）控制器，將新風(fēng)機(jī)組的監(jiān)控點(diǎn)位接入DDC，改造控制箱，安裝調(diào)節(jié)型水閥，增加傳感器，使得原來(lái)只能就地啟停的新風(fēng)機(jī)組，改為既可本地控制也能遠(yuǎn)程管控是數(shù)字化設(shè)備，服務(wù)器與DDC 控制器都通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。

其次，在每個(gè)房間增加溫濕度傳感器和CO2 傳感器，采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸，提供給控制器、管理器進(jìn)行閉環(huán)化處理，并配套一臺(tái)服務(wù)器搭載樓宇控制平臺(tái)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)DDC 進(jìn)行管理并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示，方便工作人員進(jìn)行運(yùn)維。

3.2 5G LAN 專網(wǎng)建設(shè)方案

本文的5G 專網(wǎng)復(fù)用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)已建設(shè)的5G 基站，核心網(wǎng)采用行業(yè)專網(wǎng)邊緣UPF/MEC，對(duì)接支持5G LAN功能的5GC，開展5G LAN 全無(wú)線通信測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7 所示。

圖7 5G LAN 專網(wǎng)拓?fù)浞桨?/p>

智能樓宇的一級(jí)和若干個(gè)二級(jí)控制器與支持5G LAN的CPE 對(duì)接，通過(guò)5G 專網(wǎng)連接到MEC 的智能樓宇控制平臺(tái)。傳感器通過(guò)NB-IoT 將采集的信息傳遞到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，MEC 上的NB 虛擬控制器從IoT 平臺(tái)獲取傳感器數(shù)據(jù)后按業(yè)務(wù)需求（預(yù)配置）并發(fā)送至智能樓宇控制平臺(tái)以及各級(jí)控制器，智能樓宇控制平臺(tái)和NB虛擬控制器為部署在MEC上的應(yīng)用服務(wù)。

項(xiàng)目驗(yàn)證了支持DHCP 服務(wù)器動(dòng)態(tài)分配IP地址、DICP Client與控制器組播通信、控制器間單播互通、平臺(tái)與控制器單播互通、平臺(tái)與控制器廣播通信等用例，數(shù)據(jù)包傳輸速率及時(shí)延均達(dá)到預(yù)期效果。

3.3 5G LAN 終端

如圖8所示，本文研究的終端采用中微普業(yè)R511設(shè)備，該設(shè)備內(nèi)置集成展銳6 nm V516 芯片的移遠(yuǎn)模組RM500U，支持3GPP R16 協(xié)議，是業(yè)界第一款支持5G LAN 的商用芯片。

圖8 5G 模組和終端

4 新風(fēng)機(jī)智能化運(yùn)行效果評(píng)估

本次改造后，通過(guò)NB-IoT 傳感器收集各個(gè)辦公區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，反饋到控制管理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理做出啟停決策，如圖9所示，當(dāng)二氧化碳濃度≥800 ppm時(shí)，啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)，當(dāng)二氧化碳濃度≤600 ppm 時(shí)，關(guān)閉新風(fēng)機(jī)，控制指令通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)傳遞給控制器執(zhí)行。一方面保障了在關(guān)門關(guān)窗狀態(tài)下空氣舒適度，另一方面新風(fēng)系統(tǒng)按需啟動(dòng)，大量節(jié)能。基于試點(diǎn)數(shù)據(jù)評(píng)估，預(yù)計(jì)全年整樓每平方千米能節(jié)能808 度，減排808 千克。同時(shí)基于運(yùn)營(yíng)商既有5G 網(wǎng)絡(luò)的5G LAN 專用切片改造方案免布線等物理施工，大大降低施工周期和成本。

圖9 新風(fēng)機(jī)組根據(jù)二氧化碳濃度控制啟停記錄

5 結(jié)束語(yǔ)

本文創(chuàng)新的提出基于5G LAN 技術(shù)的智能樓宇控制系統(tǒng)應(yīng)用方案，并開展基于外場(chǎng)實(shí)際環(huán)境的改造實(shí)踐，通過(guò)對(duì)終端、基站、核心網(wǎng)設(shè)備開展端到端5G LAN 升級(jí)改造，以免布線方式高效便捷實(shí)現(xiàn)了樓宇原有各級(jí)、各類控制器與樓宇系統(tǒng)管理服務(wù)器的5G 化全連接，使樓宇空調(diào)溫度和新風(fēng)系統(tǒng)的智能化自動(dòng)控制，實(shí)施效果良好。

基于運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)智底座優(yōu)勢(shì)，本方案為智能樓宇系統(tǒng)免布線聯(lián)網(wǎng)提供了極強(qiáng)的便利性、靈活性、具有較高性價(jià)比，賦能5G 智能樓宇，促進(jìn)社會(huì)節(jié)能降耗，為國(guó)家雙碳戰(zhàn)略做出有益探索。