5G LAN技术在智慧楼宇控制中的应用探索与实践

［丁智 彭海燕 秦洁 瞿水华 许乐飞］

1 引言

根据国家住建部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》（2022），“十四五”期间，存量建筑节能改造面积在2025 年达到3.5 亿平方米，同时，每年还有3.7 亿平方米的写字楼新增规模。不论是新建楼宇的智能楼控系统建设，还是存量建筑楼宇的数字化智能化改造，都是一个长期的巨大市场。在国家双碳战略牵引下，智能楼宇系统部署的增长是一个较为确定的方向。传统的楼宇智能化改造需要穿线布网，存在投入大、工程难度大、工期长等难点。当前，运营商已经部署大量的5G室内覆盖基站，具备良好的5G 公网覆盖基础，通过复用5G 公网，采用网络切片方式开通5G智慧楼宇专网，为智能楼宇系统免布线联网提供了极强的便利性、灵活性、具有较高性价比，有着广泛的应用前景。[1]

2 5G LAN 的关键技术

基于3GPP R15版本设计的5G专网不支持二层通信，一个三层的组网要与园区原有二层（局域网）网络对接，在一个5 G CPE 收纳多个终端的场景，需在端侧和服务器侧对齐部署AR 路由器实现L3 与L2 转换，实现一对设备的点对点二层通信，这种方案成本高，组网复杂；在终端对终端点对点通信场景下，CPE 需签约固定IP，也会带来一定的运维复杂度。

R16 版本定义5G LAN 技术，引入组管理、本地转发和业务隧道三个特性，支持极简组网和组内全互连二层通信。[2]当终端开机后，网络会在默认的IP PDU（packet data unit）session 基础上，新建一个以太PDU session，并以5G LAN 组播以及IGMP snooping 设备自发现和自动配置的方式完成端到端的业务能力，最终实现5G 连接替代有线连接，支持管理服务器与控制器之间的二层通信需求，并实现了整体系统架构的扁平化，5GLAN协议如图1所示。

图1 5G LAN 协议栈

基于智能楼宇中楼宇控制场景，如图2 所示，本文提出采用5G LAN 技术建设端到端应用示范，验证5G LAN组播以及IGMP（Internet Group Management Protocol，Internet 组管理协议）snooping 设备自发现和自动配置等5G LAN 的功能和性能。[3]

图2 楼宇环境控制系统示意图

如图3 所示，组播的目标是让某个频道的组播源（如PC4）只发一路数据，就能让所有当前注册接收该频道的组成员（如PC1 和PC3）都能收到数据（如图中绿色实线），而没有注册接收该频段的设备（如PC2）不能收到数据。

图3 IGMP snooping 交换机组播转发基本原理

IGMP 协议，是当前最主流的组播成员管理协议。IGMP Snooping 交换机实现动态学习组播关系的功能（这里的交换机在5G 组网里即为支持IGMP Snooping 功能的5G 核心网）。为了让交换机能动态学习到组播关系，PC1 和PC3 加入该频道时，需要向交换机设备发送IGMP report 报文（如图中绿色虚线），报文中用一个预先约定的组播字段标识组播组（即频道），IGMP Snooping 交换机分析收到的IGMP report 报文，就可以内部建立频道与组成员相连端口的组播关系，随后交换机收到组播源的数据报文时，就可以按照组播关系将组播数据报文复制多份，按需发给各个组播成员，实现组播源到组播成员一对多的组播，且不会发送到不参与组播的设备（例如PC2）。

流程说明如下：

（1）PC1 发出IGMP report 报文，动态注册加入IGMP组1（组播IP 如224.0.0.180 标识），IGMP snooping 交换机识别IGMP 报文，更新组播转发表。

（2）PC3 发出IGMP report 报文，也动态注册加入IGMP 组1，IGMP snooping交换机更新组播转发表。

（3）组播源发出组播业务报文，目的IP填充为224.0.0.180，经IGMP snooping交换机转发。

（4）IGMP snooping 交换识别组播业务报文中的组播IP/MAC，根据组播转发表转发给PC1 和PC3。

组播以及利用IGMP 协议构建组播组是智能楼宇系统默认的使用方式。楼宇系统设备面临着海量楼宇的场景交付，必须在设备安装后实现自动化配置功能，这样可以避免安装人员的技能要求。

楼宇系统控制器在发到现场前都会预配置一个组播组标识（频道，各系统、各个设备厂商有其约定俗成的差异），控制器联网后，会通过IGMP report 报文（如图绿色虚线）注册到预配置的组播组中，IGMP Snooping 路由器分析IGMP report 报文并动态创建组播关系。如基于5G 网络，控制器联网即通过5G CPE 实现，而IGMP Snooping 路由器则由5G 核心网（UPF）实现，如图4 所示。DICP 客户端作为组播源，可以向组播组一对多的发送组播报文（如图绿色实线），这里包括控制器设备的IP 地址、最新的软件版本、参数配置等，从而实现控制器设备的自发现和自动配置集中下发的过程，简化了智能楼宇中大量控制器的部署过程，并对控制器设备安装配属的技能要求最小化。此外，各个系统、各个设备厂商的设备也基于此过程实现了不同组的划分，做到了组隔离的作用。

图4 5G LAN 的IGMP 组播增强在智能楼控中的应用

5G LAN 应用于智能楼控其优势可以概括为“四个不变”：应用不变，针对企业应用中采用广播或组播通信，无需重构；拓扑不变，保持原本有线组网，保持组间隔离关系；配置不变，保持企业（固定）IP 分配，无需对接或修改对接配置；性能不变，最大程度保证时延抖动、可靠性指标。从而大大降低了传统楼宇控制系统的改造的施工复杂度和建设周期。

3 基于5G LAN 及NB-IoT 融合组网的楼宇智能化改造实践

基于以上理论分析，本文项目团队开展了深圳某存量楼宇新风系统改造为例，引入包括5G 核心网、5G 基站、5G 终端在内的5G LAN 端到端能力，支持楼内的各级、各类控制器（RWG、PXC 等）及其与楼宇系统管理服务器实现5G 化全连接。采用NB-IoT 网络实现环境温度的采集上报，采用5G LAN 技术实现新风机一级和二级控制机器及其空调系统服务器之间的连接，实现对楼宇的空调基础温度和二氧化碳的自动控制，达到节能环保，提升效率的目标。

3.1 楼宇新风系统改造总体方案

本项目改造楼宇在10 余年前投入建设一套新风系统及盘管空调系统。如图5 所示，系统的工作原理如下：

图5 本项目楼宇新风和空调系统图

（1）大楼通过冷源设备将固定温度冷水送至新风机组和盘管空调

（2）新风系统：新风机组将室外新风经过滤后由新风管道带到各个房间。新风机组配有冷水阀门，可根据需要确定是否对新风进行预制冷。

（3）空调：每个房间安装有独立的风机盘管，冷水源通过室内部署的管道将冷水送至各个房间的盘管，风机通过吹盘管将空气制冷并由空调出风口送出。房间内的温控器可以由人员来控制盘管空调的开关，即控制盘管风机和冷水阀门。人员也可以通过调整温控器上的温度来控制风机的工作。

该楼宇新风机组是典型的非数字化系统，新风机组控制箱内仅设计了开关控制按钮。此外，新风机组也未安装任何传感器设备进行空气质量数据的采集以更智能化的控制开关和风机的运转。这导致如果新风机组全天开启无疑会大量浪费能耗，如需基于室内空气质量或人员舒适度去不断启停又需要专人管理，这无疑非常困难。这个两难局面最终导致的结果是该楼宇新风机组长期处于关停状态，楼内人员长期开着窗户进行换气，一方面造成设备浪费和人员体验不佳，另一方面在夏天空调开启下开窗也会导致能耗大量消耗。

针对该楼控系统的问题和挑战，本文研究采用5G LAN 的全连接技术对其楼控系统进行数字化、智能化改造。[4]而在改造过程中，引入全无线化的理念，免于布线快速施工，一方面避免楼宇结构的破坏，另一方面也对业主日常业务影响达到最小化，楼宇控制结构示意如图6 所示。

图6 楼宇控制结构示意图

首先，针对每台新风机组，增加一套DDC（direct digital control）控制器，将新风机组的监控点位接入DDC，改造控制箱，安装调节型水阀，增加传感器，使得原来只能就地启停的新风机组，改为既可本地控制也能远程管控是数字化设备，服务器与DDC 控制器都通过5G 网络组网。

其次，在每个房间增加温湿度传感器和CO2 传感器，采集环境数据，通过NB-IoT 网络传输，提供给控制器、管理器进行闭环化处理，并配套一台服务器搭载楼宇控制平台，对现场DDC 进行管理并对采集的数据进行界面显示，方便工作人员进行运维。

3.2 5G LAN 专网建设方案

本文的5G 专网复用运营商公网已建设的5G 基站，核心网采用行业专网边缘UPF/MEC，对接支持5G LAN功能的5GC，开展5G LAN 全无线通信测试。网络拓扑如图7 所示。

图7 5G LAN 专网拓扑方案

智能楼宇的一级和若干个二级控制器与支持5G LAN的CPE 对接，通过5G 专网连接到MEC 的智能楼宇控制平台。传感器通过NB-IoT 将采集的信息传递到物联网平台，MEC 上的NB 虚拟控制器从IoT 平台获取传感器数据后按业务需求（预配置）并发送至智能楼宇控制平台以及各级控制器，智能楼宇控制平台和NB虚拟控制器为部署在MEC上的应用服务。

项目验证了支持DHCP 服务器动态分配IP地址、DICP Client与控制器组播通信、控制器间单播互通、平台与控制器单播互通、平台与控制器广播通信等用例，数据包传输速率及时延均达到预期效果。

3.3 5G LAN 终端

如图8所示，本文研究的终端采用中微普业R511设备，该设备内置集成展锐6 nm V516 芯片的移远模组RM500U，支持3GPP R16 协议，是业界第一款支持5G LAN 的商用芯片。

图8 5G 模组和终端

4 新风机智能化运行效果评估

本次改造后，通过NB-IoT 传感器收集各个办公区的现场数据，反馈到控制管理系统进行分析处理做出启停决策，如图9所示，当二氧化碳浓度≥800 ppm时，启动新风机，当二氧化碳浓度≤600 ppm 时，关闭新风机，控制指令通过5G 网络传递给控制器执行。一方面保障了在关门关窗状态下空气舒适度，另一方面新风系统按需启动，大量节能。基于试点数据评估，预计全年整楼每平方千米能节能808 度，减排808 千克。同时基于运营商既有5G 网络的5G LAN 专用切片改造方案免布线等物理施工，大大降低施工周期和成本。

图9 新风机组根据二氧化碳浓度控制启停记录

5 结束语

本文创新的提出基于5G LAN 技术的智能楼宇控制系统应用方案，并开展基于外场实际环境的改造实践，通过对终端、基站、核心网设备开展端到端5G LAN 升级改造，以免布线方式高效便捷实现了楼宇原有各级、各类控制器与楼宇系统管理服务器的5G 化全连接，使楼宇空调温度和新风系统的智能化自动控制，实施效果良好。

基于运营商5G 网络数智底座优势，本方案为智能楼宇系统免布线联网提供了极强的便利性、灵活性、具有较高性价比，赋能5G 智能楼宇，促进社会节能降耗，为国家双碳战略做出有益探索。