智能家庭網關技術方案

中國聯通研究院 北京 100032

引言

網關是構建網絡、支撐業務應用實現的核心終端，其智能化是智慧家庭實現的有效途徑。智能家庭網關是智慧家庭的核心，通過智能家庭網關能夠實現信息采集、信息輸入、輸出、集中控制、遠程管理、聯動控制等功能。

智能家庭網關具備智能家居控制樞紐及無線路由兩大功能，一方面可以負責家庭的安防工作及信息采集，通過無線方式與智能終端產品進行數據交互；另一方面具備無線路由功能，為終端提供無線網絡接入功能。智能家庭網關作為智能家庭的接入中心是連接家庭網絡和寬帶網絡的主要設備[1]，是家庭的網絡中心以及智能設備的管理中心。

1)智能網關可以擔當智能家庭的多種角色，是網絡和家庭服務器的最佳匯集點。網關兼具家庭通信和家庭服務器雙重功能，都有智能化需求；網關在實際應用中需要整合哪些功能，取決于網關的定位(如圖1所示)。

2)智能網關的智能主要體現在可操控、可擴展定制、可感知和提供增值業務的能力等方面(如圖2所示)。

圖1 智能家庭網關在智能家居中的位置

圖2 智能家庭網關系統

智能網關管理客戶端為智能網關提供了操控界面；網關的硬件冗余、可擴展軟件架構、迭代升級的(網關及客戶端)版本，以及可擴展的基于用戶及終端的增值業務架構，使得智能網關系統可以為智慧家庭提供強大的終端基礎；網關的開放軟件環境不僅吸引第三方參與智慧家庭創新，也允許用戶下載插件定制自己的智慧家庭；網關能感知終端、應用、上網行為、位置、用戶等關鍵信息；基于智能網關系統建立以用戶為中心的智慧家庭增值業務平臺，為快速推出滿足智慧家庭需求的增值產品提供了基礎。

3)相對傳統網關而言，智能網關增強網關硬件的同時，更多通過軟件提升用戶使用體驗，實現用戶定制擴展，感知用戶需求，達到好用、易用、有用、智能的效果。滿足家庭娛樂、家庭自動化、家庭安防、家庭數字、產品輔助、家庭IT咨詢、電子健康、電子教育等智慧家庭生活需求(如圖3所示)。

圖3 智能家庭網關的用戶體驗

1 發展智能家庭網關對運營商的意義

1.1 運營商與互聯網廠商的對比分析

智能網關是智能家庭服務的入口 ，誰占據智能網關入口，誰就獲得了發展智能家庭業務和應用的機會。相對于互聯網服務商，電信運營商具有接入服務、規模采購、專業維護、套餐營銷、整合網絡和已有業務等優勢，為大規模發展智能網關提供了良好基礎。

互聯網公司通過智能化占領了智能手機和智能電視，正在加速對家庭其他設備(智能路由器、智能攝像頭等)的智能化，最終目標是實現對現實智能世界的占領。1)小米、極路由從智能網關終端入手，在提升用戶無線聯接體驗的同時，積極探索互聯網服務集成和體驗優化(目前以智能內容服務為主)，嘗試智能網關開放環境、智能家居服務等創新領域。2)百度、迅雷、360、果殼等互聯網服務公司則從自身核心能力出發，通過定制智能家庭網關，優化自身服務，擴大用戶群和服務面。

互聯網服務廠商與運營商智能網關的比較如表1所示。

表1 智能網關比較

目前，智能網關面臨的主要問題有以下幾點。1)管道效率降低。寬帶增“用”不增收，24小時伺服、下載、CDN節點下沉等都會提升流量使用，但不能帶來更多收入。2)入口和用戶丟失。寬帶用戶難以轉變為聯通智慧家庭增值業務用戶，聯通家庭增值業務創新(如互聯網內容整合、智能家居、智能安防)可能性降低。3)重復建設、基礎創新受阻。兩個盒子，功能重復，使用不便，智能管道、大數據、固移融合、多屏互動等基礎服務創新更加困難。4)用戶體驗和寬帶需求提升。智慧家庭業務增多，寬帶提速的需求增加。

在與互聯網廠商的競爭中運營商事實上已經占據了第一家庭入口，具有成本優勢，同時，擁有龐大的用戶群，完善的銷售渠道，靈活的寬帶套餐，可結合的管道能力，這些都是運營商搶占家庭市場的有利因素；因此，運營商需要加快部署智能家庭網關，引入互聯網能力和機制，與接入終端融合，融合后的終端將更具優勢。1)業務發展方面。利于寬帶業務的發展，擴大智能沃家用戶，通過融合終端將智能網關部署在用戶家中。2)競爭方面。更好把握運營商已有的管道資源，免于被管道化；合一的方式降低了最終用戶的投入，打壓互聯網廠商；PON上行網關智能化與OLT耦合度給互聯網廠商設置了天然門檻。3)成本方面。集成的網關設備成本低，與寬帶接入同時進行一次性上門安裝/甚至免上門安裝。4)管理維護。一個盒子故障點減少，多個運維界面接口可統一。

1.2 中國聯通發展智能網關的意義與必要性

1)搶占入口，應對競爭，把握智能家庭服務發展核心，增強用戶黏性。互聯網廠商家庭智能化布局，不僅引起寬帶增“用”不增收，而且會將聯通寬帶用戶徹底管道化，喪失智慧家庭入口，抑制已有和未來運營商在智慧家庭增值業務上的發展，中國電信已在積極研發智能網關、布局智慧家庭，中國移動獲得了寬帶牌照，其威脅與日俱增。智能網關是家庭區域的基礎設施和業務核心，運營商把握智能網關能夠有效降低客戶流失率。

2)發展智能家庭服務，基于開放平臺拓展新增值領域，刺激帶寬需求。運營商傳統業務逐漸飽和，涉足智慧家庭服務，能夠顯著提升寬帶接入的附加價值，促進信息消費。提供開放能力平臺，集成第三方應用，借力互聯網創新，豐富增值業務，刺激帶寬消費。

3)智能化運維，改善運維環境，降低運維成本和壓力。手機APP自助管理和維護家庭網絡，變被動維護為主動維護，提升用戶滿意度，減少用戶投訴。采用可視化操作、自動監測運行、快速定位故障等智能措施，減少對用戶的依賴，降低運維成本。

4)提升大數據挖掘能力和云服務能力，促進精細化運營。70%～80%的移動用戶在家庭區域通過Wi-Fi上網，通過智能網關捕捉用戶的Wi-Fi網絡行為至關重要。智能網關是家庭網絡的云端入口，是各種云服務的承載實體 。

2 智能家庭網關系統方案設計

2.1 智能家庭網關系統總體架構

智能家庭網關是家庭網絡內外信息交互的樞紐，對外提供寬帶互聯網接口，對內為家庭內部的各種終端設備提供互聯互通，并為家庭網絡提供豐富和強大的其他功能[2]。

智能家庭網關通過寬帶接入和承載網連接到中國聯通的業務網絡和互聯網。同時，通過承載網連接到家庭網絡遠程管理系統和網元管理系統，被遠程管理系統和網元管理系統所管理。圖4給出了智能家庭網關系統架構。

圖4 智能家庭網關系統架構

智能網關主要通過以太網端口(接入設備如IPTV機頂盒、IP攝像頭、可視電話)、WLAN無線接口連接各種上網終端(臺式個人電腦、筆記本電腦、PAD、軟交換語音電話等)和中國聯通定制的業務終端，也可以通過USB接口創建局域網或個域網連接智能家居等終端設備。智能網關的USB除了可以連接USB Dongle外，還可以直接連接常見的USB擴展設備(如存儲設備、3G/LTE上網卡等)，也可以用于手機等終端的USB充電。具備POTS口的智能網關可以通過該接口接入模擬電話機。各種家庭網絡終端在通過智能網關實現設備互聯的同時，還通過智能網關訪問寬帶IP網絡(包括互聯網和中國聯通業務網)，并與寬帶IP網絡上的業務平臺或其它各類終端配合，進一步為用戶提供更廣泛的家庭網絡業務能力[3]。

智能網關管理平臺主要提供對智能網關和管理客戶端的支撐及管理能力，主要包括網關管理、客戶端管理、插件管理、開發者管理和上網行為數據管理功能。

智能網關管理客戶端主要提供用戶使用智能網關功能和服務的操控能力，在局域網內部時客戶端可以直接與智能網關交互實現相應操控功能，在公眾網絡則通過智能網關管理平臺實現與智能網關的交互。

智能網關系統邏輯接口如圖5所示，主要包括五類邏輯接口。

1)A接口。智能網關與RMS服務器之間的邏輯接口，實現RMS服務器對智能網關，以及對家庭網絡和家庭網絡內部設備的統一管理。

2)B接口。智能網關與EMS服務器之間的邏輯接口，適用于PON接入網關，實現EMS服務器對智能網關PON 接口和部分業務的遠程管理。

3)C接口。智能網關功能及插件管理平臺和智能網關之間的遠程邏輯接口，可以實現對智能網關功能管理、插件加載及配置等功能。

4)D接口。智能網關管理客戶端和智能網關之間的本地邏輯接口，可以實現對智能網關本地管理等功能。

5)E接口。智能網關管理客戶端和智能網關功能及插件管理平臺之間的遠程邏輯接口，可以實現對智能網關遠程管理等功能。

圖5 智能家庭網關系統邏輯接口圖

圖6 智能家庭網關功能要求

2.2 智能家庭網關核心功能及擴展服務功能建議

2.2.1 智能家庭網關能力及管理要求

目前，運營商部署的家庭網關主要為家庭用戶提供寬帶接入和語音業務能力，實現家庭網絡到運營商網絡的路由、協議轉換、地址管理、基本網絡安全等功能[4]。運營商想要更好地發展家庭網關業務，必須增加網關的功能，為家庭用戶提供更好的服務。

智能家庭網關需要具備的核心功能及擴展功能如圖6所示。1)基礎服務和管理增強要求。應具有基于DPI的流識別、安全事件通知、客戶端本地和遠程管理功能[5]。2)新增擴展服務功能。架構擴展功能：插件管理、客戶端管理、消息推送。管道智能化：DPI(基于流的終端、應用、URL識別和統計)、動態帶寬。擴展能力或服務：下載存儲、多屏互動、測速、智能家居、家庭門戶等。潛在應用：智慧家庭的家庭互聯網、超級遙控器、支付、社交、手機助手、云存儲、云安全等功能。3)傳送功能。建議全路由模式。4)接入和聯網功能。支持PON和WLAN等。

2.2.2 智能家庭網關擴展服務功能建議

智能家庭網關在發展初期應盡量重用智能網關系統能力建立家庭基礎服務能力，盡量發揮管理客戶端作為智能家庭管理和業務統一入口的效用。智能家庭網關的擴展功能建議如下。

1)DPI功能。網關集成DPI功能易于控制，數據獲取全面，可以實現應用識別、關鍵字統計、流量整形、URL識別和統計、網關及下掛設備基本信息統計、終端類型識別等。

2)動態帶寬功能。主要規定動態帶寬的自動觸發要求，逐步從插件模式演進為遠程或客戶端配置模式。

3)下載存儲功能。由于下載與門戶、下載協議相關，互聯網內容下載以插件實現為主，因此，建議聯通后續通過自建內容門戶或引入合作伙伴實施下載存儲業務。

4)消息推送功能。借由管理平臺，實現智能網關向客戶端、相關業務或應用平臺主動推送消息。上報消息主要包括：網關安全事件產生的消息、用戶關注事件產生的消息、網關功能執行產生的消息(如設備接入、插件安裝、內容下載、智能家居告警等)。

5)設備發現和多屏互動。鼓勵終端或應用通過DHCP、UPnP等方式上報相關信息，支持DPI模塊對設備的發現。

6)測速功能。以自有測速平臺為主，也可引入第三方測速機制提供給用戶參考。

2.3 智能家庭網關管理客戶端設計

智能網關管理客戶端是實現智能網關管理的主要入口及用戶界面，包括PC、手機、PAD客戶端。客戶端管理分為本地管理和遠程管理，本地管理是指智能網關管理客戶端在家庭局域網中與智能網關進行交互，采用TCP協議進行交互；遠程管理是指智能網關管理客戶端通過與智能網關管理平臺進行連接和交互，智能網關管理平臺通過接口向客戶端推送消息通知。

管理客戶端在局域網內，直接通過接口與智能網關交互，獲得智能網關本地管理和局域應用交互的能力，客戶端操作記錄可上傳到管理平臺；管理客戶端在廣域網上，是管理平臺的接觸界面，用戶登陸后經由管理平臺對網關進行管理，將網管與管理平臺建立連接，由管理平臺轉發相關消息實現對智能網關的管理。

智能網關管理客戶端具備可視化管理、遠程控制、ONT自安裝、簡單故障自助解決等能力，提升最終用戶體驗。系統需支持客戶端的下載、注冊、登錄、綁定和解綁等操作。客戶端的基本功能見表2。

表2 智能網關管理客戶端基本功能

由于智能家庭網關還處于發展初期，需要逐步實現其在智能家庭網絡中的作用，因此，在智能家庭網關的功能實現上需要根據實際情況逐步增加各類功能，在前期建議實現網關管理控制類和網關信息查詢類基礎功能；其次實現網關下掛設備管理功能，而對于應用類功能可以根據管理平臺和DPI深度包檢測技術的發展情況選擇性實現，同時，吸引用戶訂購其它的特色業務，例如，提供智能流量整形和用戶上網行為分析等業務功能。

3 結束語

目前，智慧家庭的發展尚處于發展初期，智能家庭網關作為智能家庭的核心產品，如何能夠把握住發展時機，對運營商來說至關重要。面對著家庭互聯網的競爭加劇，業務與終端緊密結合，運營商與互聯網廠商對于家庭入口的競爭尤為關鍵，隨著光纖入戶的逐漸普及，加上互聯網業務的迅猛發展，把握住關鍵入口發展業務，就能夠吸引更多的用戶。

其實未來智慧家庭的發展趨勢必將是走向融合的道路，互聯互通勢不可擋，通過網絡實現多樣化、個性化、安全和高效的智慧生活將成為現實，因此作為智能家居入口的智能家庭網關隨著寬帶網絡的發展，將真正發揮出智能樞紐的重要作用，推動智慧生活全面到來。只要運營商能夠抓住發展的關鍵時期，通過融合、開發、服務建立自身的核心能力，在今后的智能家庭網絡中將有更大發展空間。

參考文獻

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