（2020年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集二等奖）5G切片技术在智慧家居场景下的应用研究

洪成洋 李广好 李志锋

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

4G改变生活，5G改变社会。5G移动通信技术的目标是成为社会数字化发展的强力催化剂，成为按需定制满足千行百业多样性业务和性能需求的“专属网络”，推进网络智能化、业务生态化，实现传统产业的更新换代与新兴产业的蓬勃发展。智慧家居上联智慧社区与智慧城市，下贴人的每天生活。未来将有数百万个家庭采用智能硬件，所涉及的硬件品种繁杂，数量巨大，且各种硬件对通信时延、移动性、可靠性、隐私性和安全性等指标有着截然不同的要求。为适配未来不同业务的需求，实现“万物互联”，利用5G网络切片技术建立多个逻辑网络势在必行。目前出现的智慧家居硬件有智能锁、智能照明、智能电视、智能安防、智能监控等，这些应用使用不同的无线技术，如ZigBee、Z-wave、蓝牙、WIFI、蜂窝网络。在向用户家庭引入5G蜂窝网络时，期望所有物联网设备都采用5G无线技术是不切实际的，需要提出更好的解决方案。本研究提出一种共享家庭路由器的智能双网切片解决方案。将5G网络切片和飞蜂窝概念与3GPP标准中的无线局域网技术（Home NodeB/Home eNodeB）相结合，详细阐明5G网络切片如何在性能、管理和安全方面有效支持智慧家居。

1 智慧家居现状

如图1所示，当前中国家庭网络主要采用非对称数字用户线（ADSL）、超高速数字用户线（VSDL）、光纤或有线电视线连接到互联网。要建立家庭网络，必须将路由器连接到Modem（调制解调器）。路由器可提供以太网和无线局域网（WLAN）的接入，方便个人电脑、服务器、电视、多媒体系统等终端可通过路由器的WIFI网或者网线和外网相连。路由器在网络中扮演数据转发的角色，通过DHCP（动态主机配置协议）给设备分配IP地址，然后再通过NAT（网络地址转换）方式使内部主机的本地和因特网互通。

WLAN可满足大多数智慧家居设备的联网，其安全性差、耗电严重，很多物联网传感器或通信设备转向选择其他无线技术，比如智慧家居安全系统。智慧家居安全系统，通常由一个控制中心与一系列子系统组成，如防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁区系统、煤气泄露探测系统等。智慧家居安全系统关系到人的生命健康，对通信安全性、时延、耗电均提出很高的要求。另外，家庭中也存在大量简单低能耗的传感器，如智能门锁、车库开门器、灯光、警报器、水传感器等，这些设备通信频次较低，对时效不敏感，如果使用WIFI技术，则高能耗将使用户频繁更换电池。此外，在未来的5G智慧家居中，用户希望部分设备可自由选择WLAN和4G/5G接入方式。各智能设备对通信网络需求不一，因此迫切需要创建一种能支持所有异构设备的新型无线家庭网络架构。

2 异构组网相关技术

为实现智慧家居设备能通过5G网络连接到本地或区域云，本研究提出一种共享家庭路由器的智能家庭双网切片解决方案。该方案用到的技术主要是LWA（LTE-WLAN Aggregation，LTE-WLAN融合）、5G网络切片等，下面对相应技术与解决方案进行详细论述。

2.1 融合LTE WLAN无线接入

BN切片：一张物理网络，多层次切片，适应不同场景的SLA需求，基于SDN架构，实现承载网虚拟化和资源按需分配和统一调度，基于FlexE/OTN，实现超低时延转发和切片安全隔离。

图2 （a）非共址部署模型/（b）共址部署模型

人类社会发展的每一次变革，都伴随着技术的进步，都离不开技术的发明创造。人类社会发展的历史，就是创新发明作为驱动力开创新时代的历史。蒸汽机是开创工业时代的驱动力，电力是开创电气时代的驱动力，那么，集成电路则是开创信息时代的驱动力。集成电路作为信息时代的核心基石，让计算机、手提电话、家用电器、交通工具、高速列车、互联网、精密医疗器械、人工智能、自动化控制等各种电子产品和系统，应运而生。集成电路代表着当今世界微细制造的最高水平，深入到国民经济和社会发展的方方面面，被喻为“工业的粮食”，是国防的安全保障，是国家综合竞争力的战略性产业。

2.2 5G网络切片技术

综上所述，在整个施工项目的施工过程中进行相应的现场施工管理具有重要意义。对于市政工程企业的稳定，长期，高效发展来说，有必要加强对施工技术的管理。因此，提高建设项目的施工质量和确保项目按时完成，鼓励市政工程公司取得更多的经济效益，必须实现“经济，社会和环境”的和谐统一发展。

RAN切片：统一空口，灵活支撑差异化场景需求、参数配置，实现物理资源的灵活分配，CU灵活支持专用硬件部署和云化部署。

图3 网络切片整体概念示意图

CN切片：基于SBA的5G CN，跨DC按需部署，弹性伸缩，服务化定制和分布式部署，满足各场景SLA需求，综合可靠性、成本等诉求，网络服务灵活共享。

飞蜂窝路由器是现有的用户端产品，能提供融合LTE WLAN无线接入技术。它通过公用IP网接入，内有一个与手机相似的SIM卡，存有设备信息、身份信息和配置信息，加电后，通过该SIM卡向网络自动进行认证和鉴权，完成注册后建立连接。飞蜂窝使用IP协议，能通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的联通。大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。其具有1个载波，足够满足智慧家居IoT设备通信需求。飞蜂窝可看作是一个小型室内移动基站，在系统中充当通信物理层基础，对于家庭双网切片解决方案，还需要扩展以包括WLAN家庭路由器。此外，它必须连接到两个5G网络切片，以适应不同业务需求的设备。

3 智能家庭双网切片解决方案

5G网络作为4G的后继者，具有高速率、低时延、大容量等特征。在三大应用场景——增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、高可靠低时延通信（URLLC）有着广泛应用，商业价值巨大。为实现这一挑战性目标，5G标准提出网络切片解决方案，接下来将简要阐明5G切片技术，为后续引入5G切片技术到智慧家居提供理论基础。网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商根据与客户签订的SLA（Service level Agreement）业务服务协议，在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，为不同垂直行业、不同客户、不同业务，提供相互隔离、功能可定制的网络服务。每个网络切片从无线接入网承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以适配各种各样类型的应用。

如图3所示，网络切片由网络切片实例承载，网络切片实例是一个部署的网络切片，包括一些网络功能实例及所需的资源（例如计算资源、存储及网络资源）。切片既可基于传统的专有硬件构建，也可基于NFV/SDN的通用基础设施构建。运营商可以基于统一平台构建，实现低成本高效运营。通常在一个网络切片中，至少可分为无线接入网子切片（RAN切片）、传输承载网子切片（CN切片）和核心网子切片（BN切片）三部分。

LWA是一项利用特定非授权频段传输用户数据的分流技术，允许在考虑信道条件的同时，在子承载级拆分单个承载（或单个IP流），保证所有应用程序同时使用移动网络和WLAN接入，而无需任何应用程序级别的增强，能显著提升无线通信能力。3GPP协议已记载移动设备可通过LWA技术来实现同时支持4G和WLAN。但5G规范并无此项记录，因此现在考虑将LMA技术引入到5G网络，创建WiFi-4G/5G耦合接入模型，图2所示，给出两种部署方式——非共址部署方式和共址部署方式。在非共址部署模型中，现有WLAN架构与移动网络集成，eNB（eNodeB）通过WLAN无线终端（Wireless Terminal，WT）经由Xw接口与WLAN AP连接。在共址部署方式中，eNB和WLAN AP实体通过理想链路连接并集成于公共节点中，这种eNB与WLAN被集成在同一台实体终端上的共址部署方式更适合家庭部署。

图4 智慧家居切片双网模型结构

智慧家居网络管理可通过构建两个网络切片来实现，如图4所示。

商业贿赂犯罪具有隐蔽性的特点，行贿者、受贿者双方由于存在共同的利害关系，往往相互串通，相互包庇，侦查工作进行缓慢。加上我国目前侦查手段不完善，侦查方式相对单一，因此采用一定的侦查技术是打击商业贿赂的迫切要求。

这种部署方式非常适合家庭，实验已证明利用飞蜂窝路由器搭建智能家庭双网络方案具备可行性。不足之处：异构网络可能会导致性能和端到端延迟问题，尽管这一点在小型的家庭网络不明显。

另一个需要考虑的问题是网络切片安全。为了保证5G智慧家居网络的安全，本智慧家居解决方案引入了一个安全身份机制，可以管理连接到网络的各种设备的身份。不同的设备在首次连接时，需在飞蜂窝路由器管理平台上为设备设置ID，预置切片接入模式，设置管理员密码等，以保证在网络切片选择、会话建立等流程中，网络架构设计的安全，以及各网络功能间的交互及协议安全。

4 结束语

未来室内5G网络将成为与“水、电、气”同等重要的物业基础设施，成为运营商5G网络商业变现的“引擎”。本研究重点探究5G切片赋能智慧家居的技术可行性。在目前标准上，无线侧功能设计能够满足切片流程需求。就切片SLA（业务服务协议），特别是RAN如何满足以及是否能够满足SLA需要进一步研究，所述问题得到妥善解决，5G技术与智慧家居的未来值得期待。