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

洪成洋 李廣好 李志鋒

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

4G改變生活，5G改變社會。5G移動通信技術的目標是成為社會數字化發展的強力催化劑，成為按需定制滿足千行百業多樣性業務和性能需求的“專屬網絡”，推進網絡智能化、業務生態化，實現傳統產業的更新換代與新興產業的蓬勃發展。智慧家居上聯智慧社區與智慧城市，下貼人的每天生活。未來將有數百萬個家庭采用智能硬件，所涉及的硬件品種繁雜，數量巨大，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有著截然不同的要求。為適配未來不同業務的需求，實現“萬物互聯”，利用5G網絡切片技術建立多個邏輯網絡勢在必行。目前出現的智慧家居硬件有智能鎖、智能照明、智能電視、智能安防、智能監控等，這些應用使用不同的無線技術，如ZigBee、Z-wave、藍牙、WIFI、蜂窩網絡。在向用戶家庭引入5G蜂窩網絡時，期望所有物聯網設備都采用5G無線技術是不切實際的，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切片解決方案。將5G網絡切片和飛蜂窩概念與3GPP標準中的無線局域網技術（Home NodeB/Home eNodeB）相結合，詳細闡明5G網絡切片如何在性能、管理和安全方面有效支持智慧家居。

1 智慧家居現狀

如圖1所示，當前中國家庭網絡主要采用非對稱數字用戶線（ADSL）、超高速數字用戶線（VSDL）、光纖或有線電視線連接到互聯網。要建立家庭網絡，必須將路由器連接到Modem（調制解調器）。路由器可提供以太網和無線局域網（WLAN）的接入，方便個人電腦、服務器、電視、多媒體系統等終端可通過路由器的WIFI網或者網線和外網相連。路由器在網絡中扮演數據轉發的角色，通過DHCP（動態主機配置協議）給設備分配IP地址，然后再通過NAT（網絡地址轉換）方式使內部主機的本地和因特網互通。

WLAN可滿足大多數智慧家居設備的聯網，其安全性差、耗電嚴重，很多物聯網傳感器或通信設備轉向選擇其他無線技術，比如智慧家居安全系統。智慧家居安全系統，通常由一個控制中心與一系列子系統組成，如防盜報警系統、消防報警系統、電視對講門禁區系統、煤氣泄露探測系統等。智慧家居安全系統關系到人的生命健康，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，這些設備通信頻次較低，對時效不敏感，如果使用WIFI技術，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，用戶希望部分設備可自由選擇WLAN和4G/5G接入方式。各智能設備對通信網絡需求不一，因此迫切需要創建一種能支持所有異構設備的新型無線家庭網絡架構。

2 異構組網相關技術

為實現智慧家居設備能通過5G網絡連接到本地或區域云，本研究提出一種共享家庭路由器的智能家庭雙網切片解決方案。該方案用到的技術主要是LWA（LTE-WLAN Aggregation，LTE-WLAN融合）、5G網絡切片等，下面對相應技術與解決方案進行詳細論述。

2.1 融合LTE WLAN無線接入

BN切片：一張物理網絡，多層次切片，適應不同場景的SLA需求，基于SDN架構，實現承載網虛擬化和資源按需分配和統一調度，基于FlexE/OTN，實現超低時延轉發和切片安全隔離。

圖2 （a）非共址部署模型/（b）共址部署模型

人類社會發展的每一次變革，都伴隨著技術的進步，都離不開技術的發明創造。人類社會發展的歷史，就是創新發明作為驅動力開創新時代的歷史。蒸汽機是開創工業時代的驅動力，電力是開創電氣時代的驅動力，那么，集成電路則是開創信息時代的驅動力。集成電路作為信息時代的核心基石，讓計算機、手提電話、家用電器、交通工具、高速列車、互聯網、精密醫療器械、人工智能、自動化控制等各種電子產品和系統，應運而生。集成電路代表著當今世界微細制造的最高水平，深入到國民經濟和社會發展的方方面面，被喻為“工業的糧食”，是國防的安全保障，是國家綜合競爭力的戰略性產業。

2.2 5G網絡切片技術

綜上所述，在整個施工項目的施工過程中進行相應的現場施工管理具有重要意義。對于市政工程企業的穩定，長期，高效發展來說，有必要加強對施工技術的管理。因此，提高建設項目的施工質量和確保項目按時完成，鼓勵市政工程公司取得更多的經濟效益，必須實現“經濟，社會和環境”的和諧統一發展。

RAN切片：統一空口，靈活支撐差異化場景需求、參數配置，實現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 網絡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，網絡服務靈活共享。

飛蜂窩路由器是現有的用戶端產品，能提供融合LTE WLAN無線接入技術。它通過公用IP網接入，內有一個與手機相似的SIM卡，存有設備信息、身份信息和配置信息，加電后，通過該SIM卡向網絡自動進行認證和鑒權，完成注冊后建立連接。飛蜂窩使用IP協議，能通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠端由專用網關實現從IP網到移動網的聯通。大小與ADSL調制解調器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網規、即插即用的特點。其具有1個載波，足夠滿足智慧家居IoT設備通信需求。飛蜂窩可看作是一個小型室內移動基站，在系統中充當通信物理層基礎，對于家庭雙網切片解決方案，還需要擴展以包括WLAN家庭路由器。此外，它必須連接到兩個5G網絡切片，以適應不同業務需求的設備。

3 智能家庭雙網切片解決方案

5G網絡作為4G的后繼者，具有高速率、低時延、大容量等特征。在三大應用場景——增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、高可靠低時延通信（URLLC）有著廣泛應用，商業價值巨大。為實現這一挑戰性目標，5G標準提出網絡切片解決方案，接下來將簡要闡明5G切片技術，為后續引入5G切片技術到智慧家居提供理論基礎。網絡切片是一種按需組網的方式，可以讓運營商根據與客戶簽訂的SLA（Service level Agreement）業務服務協議，在統一的基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網絡，為不同垂直行業、不同客戶、不同業務，提供相互隔離、功能可定制的網絡服務。每個網絡切片從無線接入網承載網再到核心網上進行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應用。

如圖3所示，網絡切片由網絡切片實例承載，網絡切片實例是一個部署的網絡切片，包括一些網絡功能實例及所需的資源（例如計算資源、存儲及網絡資源）。切片既可基于傳統的專有硬件構建，也可基于NFV/SDN的通用基礎設施構建。運營商可以基于統一平臺構建，實現低成本高效運營。通常在一個網絡切片中，至少可分為無線接入網子切片（RAN切片）、傳輸承載網子切片（CN切片）和核心網子切片（BN切片）三部分。

LWA是一項利用特定非授權頻段傳輸用戶數據的分流技術，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），保證所有應用程序同時使用移動網絡和WLAN接入，而無需任何應用程序級別的增強，能顯著提升無線通信能力。3GPP協議已記載移動設備可通過LWA技術來實現同時支持4G和WLAN。但5G規范并無此項記錄，因此現在考慮將LMA技術引入到5G網絡，創建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，現有WLAN架構與移動網絡集成，eNB（eNodeB）通過WLAN無線終端（Wireless Terminal，WT）經由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 智慧家居切片雙網模型結構

智慧家居網絡管理可通過構建兩個網絡切片來實現，如圖4所示。

商業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系，往往相互串通，相互包庇，偵查工作進行緩慢。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是打擊商業賄賂的迫切要求。

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絡方案具備可行性。不足之處：異構網絡可能會導致性能和端到端延遲問題，盡管這一點在小型的家庭網絡不明顯。

另一個需要考慮的問題是網絡切片安全。為了保證5G智慧家居網絡的安全，本智慧家居解決方案引入了一個安全身份機制，可以管理連接到網絡的各種設備的身份。不同的設備在首次連接時，需在飛蜂窩路由器管理平臺上為設備設置ID，預置切片接入模式，設置管理員密碼等，以保證在網絡切片選擇、會話建立等流程中，網絡架構設計的安全，以及各網絡功能間的交互及協議安全。

4 結束語

未來室內5G網絡將成為與“水、電、氣”同等重要的物業基礎設施，成為運營商5G網絡商業變現的“引擎”。本研究重點探究5G切片賦能智慧家居的技術可行性。在目前標準上，無線側功能設計能夠滿足切片流程需求。就切片SLA（業務服務協議），特別是RAN如何滿足以及是否能夠滿足SLA需要進一步研究，所述問題得到妥善解決，5G技術與智慧家居的未來值得期待。