智能家庭网关技术方案

中国联通研究院 北京 100032

引言

网关是构建网络、支撑业务应用实现的核心终端，其智能化是智慧家庭实现的有效途径。智能家庭网关是智慧家庭的核心，通过智能家庭网关能够实现信息采集、信息输入、输出、集中控制、远程管理、联动控制等功能。

智能家庭网关具备智能家居控制枢纽及无线路由两大功能，一方面可以负责家庭的安防工作及信息采集，通过无线方式与智能终端产品进行数据交互；另一方面具备无线路由功能，为终端提供无线网络接入功能。智能家庭网关作为智能家庭的接入中心是连接家庭网络和宽带网络的主要设备[1]，是家庭的网络中心以及智能设备的管理中心。

1)智能网关可以担当智能家庭的多种角色，是网络和家庭服务器的最佳汇集点。网关兼具家庭通信和家庭服务器双重功能，都有智能化需求；网关在实际应用中需要整合哪些功能，取决于网关的定位(如图1所示)。

2)智能网关的智能主要体现在可操控、可扩展定制、可感知和提供增值业务的能力等方面(如图2所示)。

图1 智能家庭网关在智能家居中的位置

图2 智能家庭网关系统

智能网关管理客户端为智能网关提供了操控界面；网关的硬件冗余、可扩展软件架构、迭代升级的(网关及客户端)版本，以及可扩展的基于用户及终端的增值业务架构，使得智能网关系统可以为智慧家庭提供强大的终端基础；网关的开放软件环境不仅吸引第三方参与智慧家庭创新，也允许用户下载插件定制自己的智慧家庭；网关能感知终端、应用、上网行为、位置、用户等关键信息；基于智能网关系统建立以用户为中心的智慧家庭增值业务平台，为快速推出满足智慧家庭需求的增值产品提供了基础。

3)相对传统网关而言，智能网关增强网关硬件的同时，更多通过软件提升用户使用体验，实现用户定制扩展，感知用户需求，达到好用、易用、有用、智能的效果。满足家庭娱乐、家庭自动化、家庭安防、家庭数字、产品辅助、家庭IT咨询、电子健康、电子教育等智慧家庭生活需求(如图3所示)。

图3 智能家庭网关的用户体验

1 发展智能家庭网关对运营商的意义

1.1 运营商与互联网厂商的对比分析

智能网关是智能家庭服务的入口 ，谁占据智能网关入口，谁就获得了发展智能家庭业务和应用的机会。相对于互联网服务商，电信运营商具有接入服务、规模采购、专业维护、套餐营销、整合网络和已有业务等优势，为大规模发展智能网关提供了良好基础。

互联网公司通过智能化占领了智能手机和智能电视，正在加速对家庭其他设备(智能路由器、智能摄像头等)的智能化，最终目标是实现对现实智能世界的占领。1)小米、极路由从智能网关终端入手，在提升用户无线联接体验的同时，积极探索互联网服务集成和体验优化(目前以智能内容服务为主)，尝试智能网关开放环境、智能家居服务等创新领域。2)百度、迅雷、360、果壳等互联网服务公司则从自身核心能力出发，通过定制智能家庭网关，优化自身服务，扩大用户群和服务面。

互联网服务厂商与运营商智能网关的比较如表1所示。

表1 智能网关比较

目前，智能网关面临的主要问题有以下几点。1)管道效率降低。宽带增“用”不增收，24小时伺服、下载、CDN节点下沉等都会提升流量使用，但不能带来更多收入。2)入口和用户丢失。宽带用户难以转变为联通智慧家庭增值业务用户，联通家庭增值业务创新(如互联网内容整合、智能家居、智能安防)可能性降低。3)重复建设、基础创新受阻。两个盒子，功能重复，使用不便，智能管道、大数据、固移融合、多屏互动等基础服务创新更加困难。4)用户体验和宽带需求提升。智慧家庭业务增多，宽带提速的需求增加。

在与互联网厂商的竞争中运营商事实上已经占据了第一家庭入口，具有成本优势，同时，拥有庞大的用户群，完善的销售渠道，灵活的宽带套餐，可结合的管道能力，这些都是运营商抢占家庭市场的有利因素；因此，运营商需要加快部署智能家庭网关，引入互联网能力和机制，与接入终端融合，融合后的终端将更具优势。1)业务发展方面。利于宽带业务的发展，扩大智能沃家用户，通过融合终端将智能网关部署在用户家中。2)竞争方面。更好把握运营商已有的管道资源，免于被管道化；合一的方式降低了最终用户的投入，打压互联网厂商；PON上行网关智能化与OLT耦合度给互联网厂商设置了天然门槛。3)成本方面。集成的网关设备成本低，与宽带接入同时进行一次性上门安装/甚至免上门安装。4)管理维护。一个盒子故障点减少，多个运维界面接口可统一。

1.2 中国联通发展智能网关的意义与必要性

1)抢占入口，应对竞争，把握智能家庭服务发展核心，增强用户黏性。互联网厂商家庭智能化布局，不仅引起宽带增“用”不增收，而且会将联通宽带用户彻底管道化，丧失智慧家庭入口，抑制已有和未来运营商在智慧家庭增值业务上的发展，中国电信已在积极研发智能网关、布局智慧家庭，中国移动获得了宽带牌照，其威胁与日俱增。智能网关是家庭区域的基础设施和业务核心，运营商把握智能网关能够有效降低客户流失率。

2)发展智能家庭服务，基于开放平台拓展新增值领域，刺激带宽需求。运营商传统业务逐渐饱和，涉足智慧家庭服务，能够显著提升宽带接入的附加价值，促进信息消费。提供开放能力平台，集成第三方应用，借力互联网创新，丰富增值业务，刺激带宽消费。

3)智能化运维，改善运维环境，降低运维成本和压力。手机APP自助管理和维护家庭网络，变被动维护为主动维护，提升用户满意度，减少用户投诉。采用可视化操作、自动监测运行、快速定位故障等智能措施，减少对用户的依赖，降低运维成本。

4)提升大数据挖掘能力和云服务能力，促进精细化运营。70%～80%的移动用户在家庭区域通过Wi-Fi上网，通过智能网关捕捉用户的Wi-Fi网络行为至关重要。智能网关是家庭网络的云端入口，是各种云服务的承载实体 。

2 智能家庭网关系统方案设计

2.1 智能家庭网关系统总体架构

智能家庭网关是家庭网络内外信息交互的枢纽，对外提供宽带互联网接口，对内为家庭内部的各种终端设备提供互联互通，并为家庭网络提供丰富和强大的其他功能[2]。

智能家庭网关通过宽带接入和承载网连接到中国联通的业务网络和互联网。同时，通过承载网连接到家庭网络远程管理系统和网元管理系统，被远程管理系统和网元管理系统所管理。图4给出了智能家庭网关系统架构。

图4 智能家庭网关系统架构

智能网关主要通过以太网端口(接入设备如IPTV机顶盒、IP摄像头、可视电话)、WLAN无线接口连接各种上网终端(台式个人电脑、笔记本电脑、PAD、软交换语音电话等)和中国联通定制的业务终端，也可以通过USB接口创建局域网或个域网连接智能家居等终端设备。智能网关的USB除了可以连接USB Dongle外，还可以直接连接常见的USB扩展设备(如存储设备、3G/LTE上网卡等)，也可以用于手机等终端的USB充电。具备POTS口的智能网关可以通过该接口接入模拟电话机。各种家庭网络终端在通过智能网关实现设备互联的同时，还通过智能网关访问宽带IP网络(包括互联网和中国联通业务网)，并与宽带IP网络上的业务平台或其它各类终端配合，进一步为用户提供更广泛的家庭网络业务能力[3]。

智能网关管理平台主要提供对智能网关和管理客户端的支撑及管理能力，主要包括网关管理、客户端管理、插件管理、开发者管理和上网行为数据管理功能。

智能网关管理客户端主要提供用户使用智能网关功能和服务的操控能力，在局域网内部时客户端可以直接与智能网关交互实现相应操控功能，在公众网络则通过智能网关管理平台实现与智能网关的交互。

智能网关系统逻辑接口如图5所示，主要包括五类逻辑接口。

1)A接口。智能网关与RMS服务器之间的逻辑接口，实现RMS服务器对智能网关，以及对家庭网络和家庭网络内部设备的统一管理。

2)B接口。智能网关与EMS服务器之间的逻辑接口，适用于PON接入网关，实现EMS服务器对智能网关PON 接口和部分业务的远程管理。

3)C接口。智能网关功能及插件管理平台和智能网关之间的远程逻辑接口，可以实现对智能网关功能管理、插件加载及配置等功能。

4)D接口。智能网关管理客户端和智能网关之间的本地逻辑接口，可以实现对智能网关本地管理等功能。

5)E接口。智能网关管理客户端和智能网关功能及插件管理平台之间的远程逻辑接口，可以实现对智能网关远程管理等功能。

图5 智能家庭网关系统逻辑接口图

图6 智能家庭网关功能要求

2.2 智能家庭网关核心功能及扩展服务功能建议

2.2.1 智能家庭网关能力及管理要求

目前，运营商部署的家庭网关主要为家庭用户提供宽带接入和语音业务能力，实现家庭网络到运营商网络的路由、协议转换、地址管理、基本网络安全等功能[4]。运营商想要更好地发展家庭网关业务，必须增加网关的功能，为家庭用户提供更好的服务。

智能家庭网关需要具备的核心功能及扩展功能如图6所示。1)基础服务和管理增强要求。应具有基于DPI的流识别、安全事件通知、客户端本地和远程管理功能[5]。2)新增扩展服务功能。架构扩展功能：插件管理、客户端管理、消息推送。管道智能化：DPI(基于流的终端、应用、URL识别和统计)、动态带宽。扩展能力或服务：下载存储、多屏互动、测速、智能家居、家庭门户等。潜在应用：智慧家庭的家庭互联网、超级遥控器、支付、社交、手机助手、云存储、云安全等功能。3)传送功能。建议全路由模式。4)接入和联网功能。支持PON和WLAN等。

2.2.2 智能家庭网关扩展服务功能建议

智能家庭网关在发展初期应尽量重用智能网关系统能力建立家庭基础服务能力，尽量发挥管理客户端作为智能家庭管理和业务统一入口的效用。智能家庭网关的扩展功能建议如下。

1)DPI功能。网关集成DPI功能易于控制，数据获取全面，可以实现应用识别、关键字统计、流量整形、URL识别和统计、网关及下挂设备基本信息统计、终端类型识别等。

2)动态带宽功能。主要规定动态带宽的自动触发要求，逐步从插件模式演进为远程或客户端配置模式。

3)下载存储功能。由于下载与门户、下载协议相关，互联网内容下载以插件实现为主，因此，建议联通后续通过自建内容门户或引入合作伙伴实施下载存储业务。

4)消息推送功能。借由管理平台，实现智能网关向客户端、相关业务或应用平台主动推送消息。上报消息主要包括：网关安全事件产生的消息、用户关注事件产生的消息、网关功能执行产生的消息(如设备接入、插件安装、内容下载、智能家居告警等)。

5)设备发现和多屏互动。鼓励终端或应用通过DHCP、UPnP等方式上报相关信息，支持DPI模块对设备的发现。

6)测速功能。以自有测速平台为主，也可引入第三方测速机制提供给用户参考。

2.3 智能家庭网关管理客户端设计

智能网关管理客户端是实现智能网关管理的主要入口及用户界面，包括PC、手机、PAD客户端。客户端管理分为本地管理和远程管理，本地管理是指智能网关管理客户端在家庭局域网中与智能网关进行交互，采用TCP协议进行交互；远程管理是指智能网关管理客户端通过与智能网关管理平台进行连接和交互，智能网关管理平台通过接口向客户端推送消息通知。

管理客户端在局域网内，直接通过接口与智能网关交互，获得智能网关本地管理和局域应用交互的能力，客户端操作记录可上传到管理平台；管理客户端在广域网上，是管理平台的接触界面，用户登陆后经由管理平台对网关进行管理，将网管与管理平台建立连接，由管理平台转发相关消息实现对智能网关的管理。

智能网关管理客户端具备可视化管理、远程控制、ONT自安装、简单故障自助解决等能力，提升最终用户体验。系统需支持客户端的下载、注册、登录、绑定和解绑等操作。客户端的基本功能见表2。

表2 智能网关管理客户端基本功能

由于智能家庭网关还处于发展初期，需要逐步实现其在智能家庭网络中的作用，因此，在智能家庭网关的功能实现上需要根据实际情况逐步增加各类功能，在前期建议实现网关管理控制类和网关信息查询类基础功能；其次实现网关下挂设备管理功能，而对于应用类功能可以根据管理平台和DPI深度包检测技术的发展情况选择性实现，同时，吸引用户订购其它的特色业务，例如，提供智能流量整形和用户上网行为分析等业务功能。

3 结束语

目前，智慧家庭的发展尚处于发展初期，智能家庭网关作为智能家庭的核心产品，如何能够把握住发展时机，对运营商来说至关重要。面对着家庭互联网的竞争加剧，业务与终端紧密结合，运营商与互联网厂商对于家庭入口的竞争尤为关键，随着光纤入户的逐渐普及，加上互联网业务的迅猛发展，把握住关键入口发展业务，就能够吸引更多的用户。

其实未来智慧家庭的发展趋势必将是走向融合的道路，互联互通势不可挡，通过网络实现多样化、个性化、安全和高效的智慧生活将成为现实，因此作为智能家居入口的智能家庭网关随着宽带网络的发展，将真正发挥出智能枢纽的重要作用，推动智慧生活全面到来。只要运营商能够抓住发展的关键时期，通过融合、开发、服务建立自身的核心能力，在今后的智能家庭网络中将有更大发展空间。

参考文献

[1] 龙戎.智能家庭网关发展趋势研究[J].电信网技术，2014(9):1-5

[2] 张玲,胡登基,徐永晋.智能家居系统中家庭网关的研究[J].仪表技术,2011(3):15-21

[3] 陈彬. 基于OpenWrt的家庭网关管理系统的设计及实现[D].南京大学,2014

[4] 程海瑞.智能家居网关研究[J].信息通信技术,2015,9(5):66-70

[5] 周转运,吴垠泽.基于DPI的智能网关业务QoS保障和带宽提速研究[J].光通信研究,2014(5):14-51