基于4G通信技術的智能家居系統

文/湯光耀

3G風潮還沒過去，4G似乎就已經到來了。4G是第四代移動通信及其技術的簡稱，融合LTE、WiMAX以及“演進的3G技術”為一體，能夠傳輸高質量視頻圖像，以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。4G系統能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對無線服務的要求。它將構造出一個比3G通信更完美的新無線世界，推動物聯網和云計算技術的緊密結合，借助有線方式和無線方式相結合給廣大用戶帶來智能化的家居體驗生活。

4G技術的特點

第四代移動通信系統（4G）目前還沒有確切的定義，但它將是一個基于全IP的移動通信網絡，可以實現不同類型的接入系統和通信網絡之間的無縫連接，給客戶提供更為廣泛的業務，使運營商管理更加方便、靈活。相比于3G，4G將在多個方面更加完善，具體歸納如下：

具有很高的數據傳輸速率

對于大范圍的高速移動用戶（250km/h）,數據速率為2Mbit/s；對于中速移動用戶(60km/h),數據速率為20Mbit/s；對于低速移動用戶（室內或步行者）,數據速率為100Mbit/s。

實現真正的無縫漫游

4G移動通信系統實現全球統一的標準，能使各類媒體、通信主機及網絡之間進行“無縫連接”，真正實現一部手機在全球的任何地點都能進行通信。用戶可以隨時隨地通過移動接入的方式獲取話音、高速信息系統、廣播和娛樂等業務。

高度智能化的網絡

采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行結合的發送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性，可以自動管理、動態改變自己的結構，以滿足系統變化和發展的要求，實現移動終端在不同小區之間跨越和不同頻率之間的通信。

支持各式各樣的移動終端設備

接入終端設備多樣化，設備與人之間的交流除了聽、說、看外，還會有其他途徑。

如果說3G能為人們提供一個高速傳輸的無線通信環境的話，那么4G通信會是一種超高速無線網絡，一種不需要電纜的信息超級高速公路，這種新網絡可使電話用戶以無線及三位空間虛擬實境連線。未來的4G通信將使得人與人之間的交流更加流暢，特別是構建一條人與機器之間自由交流通道，推動整個智能家居系統朝著綜合化、智能化、全球化、個性化方向發展。

云計算技術和物聯網在智能家居領域的應用

目前智能家居領域僅僅局限在人與物之間的交流，一定程度上滿足了人們文化、生活與娛樂需求。更多的智能家居領域應用伴隨著不斷涌現的便捷性、多元化需求而日益發展，基于物聯網的智能家居應用已經成為未來的發展趨勢，而云計算基礎設施為采用物聯網技術帶來的更多海量數據的計算與存儲問題奠定了基礎，已經成為推動智能家居應用更加智能化的核心動力。

智能家居在當今社會經濟水平發展階段，更多地要求加強物與物之間的自由溝通，物聯網技術就解決了這樣一個問題，為實現高度智能化提供了實現手段。物聯網與我們熟悉的互聯網相比，從一定程度上解決了物與物、人與物的鏈接與通訊問題，而4G技術則為他們之間的通訊與交流打造一個更為高效寬闊的平臺。

近年來，智能家居領域的發展趨勢，除了原有的一些燈光控制、紅外控制、窗簾控制、遠程控制等相關技術，特別是以RFID為代表的更多物聯網感應技術、識別技術的廣泛應用，創造出人們所需的智能手段。這些技術之所以可以高度發展、廣泛應用，其根本在于現今階段有了支撐這些技術的基礎設施。這個基礎設施是針對應用物聯網技術帶來的更多海量數據的問題而產生。

在4G時代下，云計算技術和物聯網將是智能家居的重要支撐。基于4G技術網絡系統的后臺服務需要大量的計算、存儲資源，如視頻網站、圖片類網站和更多門戶網站。伴隨著物聯網行業的高度發展和應用，將來每個物品都可能存在自己的識別標識，都需要傳輸到后臺系統進行大量邏輯處理，不同程度級別的數據，各類行業應用的數據皆需要計算存儲資源，這就是海量數據。而海量數據的存儲和計算，以及海量數據的挖掘和分析，皆需要強大的系統后臺支撐，只能通過云計算來實現。通過云計算整合一切可以整合的計算資源、存儲資源，來共同處理全球化智能家居業務的請求，并通過按需使用方式靈活擴展相應的計算、存儲資源，聯合物聯網資源，作為智能家居領域的重要支撐平臺。

內外網信息流的高效傳輸

智能家居系統集成家庭內部網絡與外部網絡，通過家庭網關作為互通的橋梁，實現本地集中控制與遠程異地控制的有效結合。4G技術將為智能家居系統中的外部網絡構建一條信息超級高速公路，保證信息流在外網中高速有效地傳輸。因此需要借鑒無線網絡和現場總線控制技術，將高效傳輸的信息技術應用在家庭內部網絡上，用實時、全面、有效的信息流來驅動家居系統的運動，以分布式控制系統為基礎構建家庭內部網絡，實現大量信息流的實時交換，保證內外網信息流的高效傳輸。

目前智能家居的應用主要采用有線方式和無線方式兩種，智能化程度不高，主要體現以下兩點：

就地控制、功能應用簡單、使用不方便

很多設備包括燈光、窗簾、電視、空調等，可通過就地的面板進行控制，實現簡單的操作，對于需要智能控制如調光情景、環境聯動、電動窗簾調節等地方不易發揮其相應的優勢和創造便捷的操作環境。特別是目前的控制一般均為一對一控制，當出現異地或多點控制方式的要求時，解決不方便。

裝飾不美觀、難以總體規劃

目前的控制方式經常在墻上出現一排開關，如照明、空調、風扇等就地現場開關，操作不便的同時，也顯得不美觀，精簡而功能強大的面板已被越來越多的人所喜歡。同時由于不同制造廠商均采用不同的實現方式、通信協議、接口標準，因此系統整合，增加安裝成本，造成結構復雜、系統混亂，不便資源共享與整合。

因此未來的智能家居系統應該是有線方式和無線方式的有效結合，著重于應用方案的可選擇性，保證高速外網數據通道的環境下內網信息流高效、靈活地傳遞，具體如下：

模塊化設計需求

系統應采用模塊化結構，各個廠商使用統一的接口標準和通信協議，用戶的需求可通過增加模塊或更改應用程序即可實現，即使在使用階段，當功能發生更改時，如空間分隔等，只需調整應用程序即可，適用于家居智能化的各種應用模型。

靈活地進行系統配置與管理

正確地管理家庭內部網絡資源，允許不同節點上運行的部分分布式應用之間邏輯鏈接與綁定，通過綜合配置模式實現上述功能。系統通信時，由通信媒介、報文協議和通信模型為節點的通信服務，支持和管理設備所需的任何網絡。

集中管理與分散控制結合

家庭內部網絡信息流通過家庭網關與4G網絡進行有效地交互，實現系統管理，保證內外網信息流高速有效地控制。未來家居智能化程度決定該系統的優越性，因此為了保證各種場景的智能化控制，將采用家庭網關對各個控制節點進行統一管理，而各個節點對節點上所有電器設備進行分散控制，構建家庭內部層次化網絡結構，實現集中管理與分散控制有效結合。

大量采用Wi-Fi Direct技術

面對未來智能家居全面接入Internet，全面引入“云”服務概念的時代，有線信息流傳輸難以滿足這些要求，唯有當前主流的WIFI技術特別是Wi-Fi Direct技術能夠全面應對家居控制和多媒體應用以及各種在線服務的要求。各種Wi-Fi設備，從電腦到手機、到電腦外設、到家電等等，符合Wi-Fi Direct標準的設備無需熱點和路由器，就可以方便的和其他設備實現直接連接，傳輸數據或共享應用，為家庭內部信息流傳輸構建另一條高速的通道。

結束語

4G技術目前還只是一個基本概念，4G網絡的定義仍然還不明確，IEEE等標準化組織仍處于制定標準和規范的過程中。但是融合現有各種無線接入技術的4G系統將成為一個無縫連接的統一系統，實現跨系統的全球漫游及業務的可攜帶性，是滿足未來市場需求的新一代移動通信系統。在4G技術的推動下，通過云計算技術和物聯網作為重要的支撐平臺，采用有線方式和無線方式傳輸相結合，未來的智能家居將使我們的生活更加美好。