TD?LTE在智能家居系統的應用

摘 要： 隨著新興技術的不斷發展，基于物聯網的智能家居應用已經成為未來的發展趨勢，利用TD?LTE技術作為智能家居系統的網絡接入技術是一種方便有效的方法。首先介紹了智能家居系統包含的內容及其架構，分析了智能家居系統對通信網絡的需求，在此基礎上介紹TD?LTE網絡的核心技術及功能，并基于LTE網絡設計了智能家居系統的網絡結構，最后結合實際情況指出了LTE網絡應用方面所面臨的問題。

關鍵詞： 智能家居系統； TD?LTE； 物聯網； E?UTRAN； EPC

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0046?04

0 引 言

物聯網的主要宗旨是將不同行業或產業與互聯網相融合以產生能夠對受眾有意義的解決方案。智能家居作為物聯網的一種方案，旨在為用戶提供一個舒適、安全、便利、環保的居住環境。

2013年12月4日，我國4G牌照正式發放，TD?LTE一時成為了熱點，此前已經在100個城市建立TD?LTE試驗網，其技術也日臻成熟。TD?LTE為智能家居系統提供了良好的網絡保障，同時智能家居也將促進TD?LTE網絡的實際應用。二者融合發展、互為促進，必將提供新的經濟增長點。

1 智能家居系統架構

智能家居屬于物聯網實際應用的一種，它是以居民住宅為平臺，通過利用計算機控制、網絡通信、信息家電、設備自動化等技術，將智能家電、照明、安防環境控制等集成一體，通過有效的控制，為居民提供一個舒適、安全、便利、環保的居住環境。智能家居是融合了計算機網絡系統、自動化控制系統和網絡通信技術的網絡化智能化的家居控制系統，其主要的內容包括以下幾點[1?2]：

（1） 家居控制系統：智能家居的主體是家居自動化控制系統。通過傳感器技術、計算機控制技術、網絡通信等技術實現對家庭照明、環境、電器等的本地及遠程控制。用戶可以通過智能遙控器或移動終端對所有智能終端方便快捷的控制，達到預期的生活環境。

（2） 影音共享系統：用戶可以通過高速的通信網絡獲取所需的視頻和音頻文件，然后通過影音共享系統實現多終端設備的快速共享，使用戶可以通過不同的終端進行觀賞。

（3） 家居安防系統：家居安防系統主要包括安防警報系統和安防監控系統。其中安防警報系統包括防盜、防燃氣泄漏、防火等功能，安防監控系統對家庭內部情況實時監控。當發生異常情況時，安防系統可以立即通過移動終端通知用戶，以方便用戶監聽或者監視家庭內部情況。同時用戶可以通過移動終端對安防系統進行布撤防控制。

智能家居系統的架構與物聯網相同[3]，主要包括三個層次：感知層、網絡層、應用層。其中：

感知層主要實現智能感知功能，包括信息采集、捕獲、物體識別等，其關鍵技術包括RFID、傳感器、自組織網絡、短距離無線通信等。

網絡層主要實現信息的傳送和通信。網絡層可依托公眾電信網和互聯網，也可以依托行業專業通信網絡，也可以同時依托公眾網和專用網。

應用層為用戶提供豐富的服務功能。用戶通過智能終端在應用層上定制需要的服務，如查詢信息、監控信息、控制信息等。

從體系結構來看，全面的數據采集是智能家居系統的基礎，為了傳送隨時隨地采集的數據，智能家居系統必須通過網絡層進行安全可靠的數據傳輸，因此網絡層是智能家居系統的關鍵。

2 智能家居系統通信業務需求分析

智能家居系統要求能與用戶實時完成信息的交互，傳統的智能家居系統主要是將內部的傳感器網絡接入Internet網絡，通過Internet網絡為用戶提供業務服務。隨著智能移動終端的普及以及移動通信網絡的發展，已經進入了移動互聯網時代，同時由于移動通信具有覆蓋廣、可靠性高、傳輸延遲小，方便接入等優點，將移動通信網絡作為智能家居系統的承載網絡，將會更好地發揮智能家居系統的優勢。

2.1 MTC網絡需求分析

傳統的移動通信技術是為人與人（H2H）通信業服務的，滿足H2H的業務需求。而機器與機器（M2M）通信與H2H通信存在著很多的不同之處，其終端的數量分布、產生數據特點、傳輸特性等都有很大的差別，完全沿用傳統移動通信系統設計，系統的效率、成本和適用性都無法達到最優。為了使移動通信網絡支持 M2M 業務，3GPP 早在2005 年9 月就開展了移動通信系統支持物聯網應用的可行性研究，針對物聯類業務MTC（Machine Type Communication）的特性總結了16類網絡需求，如表1所示。

2.2 智能家居通信業務需求分析

按照對通信業務的不同需求，智能家居系統可以分為控制網絡和數據網絡兩個部分。其中數據網絡主要包括家庭內部高速上網、影音設備共享、監控圖像傳輸等，需要移動網絡可以提供高速的通信能力；控制網絡主要通過移動終端對家居包括照明、環境、安防等方面進行狀態查詢和實時控制，其主要產生的是小包、高頻次的數據業務。

表1 MTC網絡需求分析

根據以上信息可以歸納出智能家居系統對網絡層的需求有以下幾類特征。

（1） 低移動性：智能家居終端多處于固定的位置，少量設備可以移動，且屬于低速移動。針對低移動特性，網絡可以延長移動性管理周期，以減少網絡開銷。降低終端功耗，提高無線資源利用率。

（2） 延時：對于家居的控制人們更希望“物隨心動”，自己發起的指令，控制系統可以立即執行；而安防系統可以實時的將異常情況快速反應給自己。這就需要通信網絡有延時小，以達到實時的目的。

（3） 業務的突發性和廣泛性：智能終端可能隨時隨地發起業務，比如安防報警系統等。所以網絡必須保持覆蓋范圍廣，同時保證網絡的冗余性，以處理突發業務。

（4） 業務寬帶化：為使用戶有更好的影音體驗、監控數據更快速的傳輸，高速率的數據傳輸能力是必不可少的，這就需要網絡的寬帶化。

（5） 安全性：物聯網廣泛部署的傳感器通過射頻無線信號進行信息采集、處理、傳輸和響應，隨著物聯網的不斷成熟，更多的關鍵信息也可能通過物聯網傳遞，因此，信息的安全接入和傳遞是物聯網發展的必要條件。

3 基于TD?LTE智能家居實現方案

3.1 TD?LTE關鍵技術應用

TD?LTE系統接入網絡采用更加扁平化的網絡結構，如圖1所示，其中eNodeB是E?UTRAN惟一節點，它集合了3G系統中節點Node B和RNC節點的無線資源管理的全部功能。eNodeB與核心網EPC通過S1接口連接，S1接口提供訪問無線接入網的無線資源；eNodeB節點之間采用X2接口互相連接，可以實現多對多的連接關系。該接入網絡結構降低了控制平面和用戶平面的時延，使無線接入終端從駐留狀態轉換到激活狀態的時延在100 ms以內，數據傳輸時延在10 ms以內，完全能夠滿足智能家居系統的響應時間和數據傳送時間。

圖1 TD?LTE網絡結構

TD?LTE 采用MIMO 關鍵技術，基站采用相同的時頻域資源與多個用戶同時通信，利用多天線提供的空間自由度分離用戶，可以通過復用有效地提高小區平均吞吐量和系統容量。

TD?LTE中傳輸技術采用OFDM調制技術，將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流， 調制到每個子信道上進行傳輸，并通過層二調度器對無線資源進行動態調度。使得無線信道的使用更靈活、更有效率，特別適用于物聯網業務這樣的小數據包、高頻次、常在線業務。同時通過采用循環前綴CP（Cyclic Prefix）技術，增強系統的抗多徑能力和覆蓋能力。

LTE的峰值數據速率為上行50 Mb/s，下行100 Mb/s。如此高的傳輸速率，能夠傳送圖像質量更好的視頻流，提供更為豐富的多媒體服務。

LTE網絡接入網和核心網都設有安全保護：接入網由eNodeB和UE 提供無線資源控制信令完整性保護和機密性保護；核心網由MME和UE 執行NAS 信令的加密和完整性保護。以此來保證網絡的安全性。

3.2 基于TD?LTE的智能家居系統結構

通過上節的分析，可以看出TD?LTE技術能夠更好地滿足、適應智能家居系統對于網絡的需求，是承載智能家居系統的很好選擇，其網絡結構圖如圖2所示。在具體的應用方案設計方面，為了承載智能家居業務，需要從家庭網關、接入網（E?UTRAN）、核心網（EPC）三個層次討論應用方案。

3.2.1 家庭網關

家庭網關是智能家居系統內部網絡的核心部分，主要完成家庭內部網絡各種不同通信協議之間的轉換和信息共享、同外部通信網絡之間的數據交換，網關一般還同時負責家庭智能設備的管理和控制。由于內部網絡通過藍牙、Wi?Fi、ZigBee等不同的通信方式組網，需要由家庭網關通過特定的通信協議接入TD?LTE網絡中，同時借助相應的外部擴展模塊實現智能家居系統的控制和管理。家庭網關可以將采集的物聯網信息通過相應的接口上傳到EUTRAN。由于TD?LTE支持上行峰值速率達50 Mb/s，所以在物聯網發展初期，TD?LTE無線網完全可以滿足其業務需求。家庭網關可以通過多種家電設備來實現，如網絡冰箱、網絡空調等，隨著嵌入式CPU處理器運算速度的提升和存儲容量的擴大，嵌入式系統成為家庭網關技術最主要的應用技術。

3.2.2 接入網

E?UTRAN接入網主要由演進型eNodeB構成，eNodeB在NodeB原有功能基礎上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC、調度、接入控制、承載控制、移動性管理和inter?cell RRM等功能。這種結構類似于典型的IP寬帶網絡結構，采用這種結構將對3GPP系統的體系架構產生深遠的影響。

圖2 網絡結構圖

3.2.3 核心網

核心網主要由移動性管理實體（MME）、服務網關（S?GW）、PDN網關（P?GW）、用于存儲用戶簽約信息的歸屬用戶服務器（HSS）等組成。核心網是一個提供全IP連接的承載網絡，對所有的基于IP的業務都是開放的，能提供所有基于IP業務的能力集。

MME提供UE和LTE核心網絡的信令交互；S?GW 與P?GW實現會話管理、路由選擇和數據轉發、QoS控制、計費以及存儲信息等功能；為智能終端與應用平臺、管理平臺之間提供通道；HSS用于存儲用戶簽約信息，例如智能終端的標識、編號和安全信息等。

3.3 基于LTE網絡存在的問題

對于H2H通信方面，LTE網絡已經投入使用，但是隨著物聯網的發展，LTE網絡仍然存在一些問題。

（1） 由于LTE技術剛剛興起，網絡的建設目前以城市及熱點區域為主，然后逐步向縣城和鄉鎮區域發展。由于農村和偏遠地區公眾用戶對高速率數據需求不明顯，同時，目前TDD可用的頻率主要集中在2 GHz，廣域覆蓋能力相對較弱，實現連續覆蓋需要大量基站；因此LTE在各地區的覆蓋區域有很大的差異， 要實現隨時隨地的實施業務還需要一定的距離。

（2） 現階段物聯網處于發展初期，智能終端的數量較少，現有移動通信網絡的能力完全可以滿足通信需求。但是，隨著物聯網行業的發展，智能終端的數量會急劇增加，據預測，到2020年M2M與現有H2H通信互聯比例將達到30[∶]1，即可能從60億人口擴展到500億乃至上萬億的MTC[4]，當如此龐大數量的智能終端以無線方式連接時，目前通信網絡的帶寬是絕對無法承載的。

（3） 當大量的智能終端集中在某個區域以及某個時刻接入時，會造成網絡容量負荷和信令風暴，這也是未來LTE網絡所面臨的問題。

4 結 語

盡管智能家居已經發展了將近10年，但真正的物聯網智能家居是近幾年隨著無線通信技術的不斷成熟才開始發展起來的，從有線到無線這是一個偉大的變革。TD?LTE網絡融合各種無線接入、與互聯網無縫連接及其高吞吐量、QoS保障，必將智能家居的發展帶到一個新的高度。盡管LTE系統建設處于初級階段，在成本、標準和規模方面還有待完善，但是隨著技術的成熟及人們需求的增加，LTE必定為人們提供一種完美的通信方式。

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