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标题 TD?LTE在智能家居系统的应用
范文
摘 要： 随着新兴技术的不断发展，基于物联网的智能家居应用已经成为未来的发展趋势，利用TD?LTE技术作为智能家居系统的网络接入技术是一种方便有效的方法。首先介绍了智能家居系统包含的内容及其架构，分析了智能家居系统对通信网络的需求，在此基础上介绍TD?LTE网络的核心技术及功能，并基于LTE网络设计了智能家居系统的网络结构，最后结合实际情况指出了LTE网络应用方面所面临的问题。
关键词： 智能家居系统； TD?LTE； 物联网； E?UTRAN； EPC
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）07?0046?04
0 引 言
物联网的主要宗旨是将不同行业或产业与互联网相融合以产生能够对受众有意义的解决方案。智能家居作为物联网的一种方案，旨在为用户提供一个舒适、安全、便利、环保的居住环境。
2013年12月4日，我国4G牌照正式发放，TD?LTE一时成为了热点，此前已经在100个城市建立TD?LTE试验网，其技术也日臻成熟。TD?LTE为智能家居系统提供了良好的网络保障，同时智能家居也将促进TD?LTE网络的实际应用。二者融合发展、互为促进，必将提供新的经济增长点。
1 智能家居系统架构
智能家居属于物联网实际应用的一种，它是以居民住宅为平台，通过利用计算机控制、网络通信、信息家电、设备自动化等技术，将智能家电、照明、安防环境控制等集成一体，通过有效的控制，为居民提供一个舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居是融合了计算机网络系统、自动化控制系统和网络通信技术的网络化智能化的家居控制系统，其主要的内容包括以下几点[1?2]：
（1） 家居控制系统：智能家居的主体是家居自动化控制系统。通过传感器技术、计算机控制技术、网络通信等技术实现对家庭照明、环境、电器等的本地及远程控制。用户可以通过智能遥控器或移动终端对所有智能终端方便快捷的控制，达到预期的生活环境。
（2） 影音共享系统：用户可以通过高速的通信网络获取所需的视频和音频文件，然后通过影音共享系统实现多终端设备的快速共享，使用户可以通过不同的终端进行观赏。
（3） 家居安防系统：家居安防系统主要包括安防警报系统和安防监控系统。其中安防警报系统包括防盗、防燃气泄漏、防火等功能，安防监控系统对家庭内部情况实时监控。当发生异常情况时，安防系统可以立即通过移动终端通知用户，以方便用户监听或者监视家庭内部情况。同时用户可以通过移动终端对安防系统进行布撤防控制。
智能家居系统的架构与物联网相同[3]，主要包括三个层次：感知层、网络层、应用层。其中：
感知层主要实现智能感知功能，包括信息采集、捕获、物体识别等，其关键技术包括RFID、传感器、自组织网络、短距离无线通信等。
网络层主要实现信息的传送和通信。网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专业通信网络，也可以同时依托公众网和专用网。
应用层为用户提供丰富的服务功能。用户通过智能终端在应用层上定制需要的服务，如查询信息、监控信息、控制信息等。
从体系结构来看，全面的数据采集是智能家居系统的基础，为了传送随时随地采集的数据，智能家居系统必须通过网络层进行安全可靠的数据传输，因此网络层是智能家居系统的关键。
2 智能家居系统通信业务需求分析
智能家居系统要求能与用户实时完成信息的交互，传统的智能家居系统主要是将内部的传感器网络接入Internet网络，通过Internet网络为用户提供业务服务。随着智能移动终端的普及以及移动通信网络的发展，已经进入了移动互联网时代，同时由于移动通信具有覆盖广、可靠性高、传输延迟小，方便接入等优点，将移动通信网络作为智能家居系统的承载网络，将会更好地发挥智能家居系统的优势。
2.1 MTC网络需求分析
传统的移动通信技术是为人与人（H2H）通信业服务的，满足H2H的业务需求。而机器与机器（M2M）通信与H2H通信存在着很多的不同之处，其终端的数量分布、产生数据特点、传输特性等都有很大的差别，完全沿用传统移动通信系统设计，系统的效率、成本和适用性都无法达到最优。为了使移动通信网络支持 M2M 业务，3GPP 早在2005 年9 月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究，针对物联类业务MTC（Machine Type Communication）的特性总结了16类网络需求，如表1所示。
2.2 智能家居通信业务需求分析
按照对通信业务的不同需求，智能家居系统可以分为控制网络和数据网络两个部分。其中数据网络主要包括家庭内部高速上网、影音设备共享、监控图像传输等，需要移动网络可以提供高速的通信能力；控制网络主要通过移动终端对家居包括照明、环境、安防等方面进行状态查询和实时控制，其主要产生的是小包、高频次的数据业务。
表1 MTC网络需求分析
根据以上信息可以归纳出智能家居系统对网络层的需求有以下几类特征。
（1） 低移动性：智能家居终端多处于固定的位置，少量设备可以移动，且属于低速移动。针对低移动特性，网络可以延长移动性管理周期，以减少网络开销。降低终端功耗，提高无线资源利用率。
（2） 延时：对于家居的控制人们更希望“物随心动”，自己发起的指令，控制系统可以立即执行；而安防系统可以实时的将异常情况快速反应给自己。这就需要通信网络有延时小，以达到实时的目的。
（3） 业务的突发性和广泛性：智能终端可能随时随地发起业务，比如安防报警系统等。所以网络必须保持覆盖范围广，同时保证网络的冗余性，以处理突发业务。
（4） 业务宽带化：为使用户有更好的影音体验、监控数据更快速的传输，高速率的数据传输能力是必不可少的，这就需要网络的宽带化。
（5） 安全性：物联网广泛部署的传感器通过射频无线信号进行信息采集、处理、传输和响应，随着物联网的不断成熟，更多的关键信息也可能通过物联网传递，因此，信息的安全接入和传递是物联网发展的必要条件。
3 基于TD?LTE智能家居实现方案
3.1 TD?LTE关键技术应用
TD?LTE系统接入网络采用更加扁平化的网络结构，如图1所示，其中eNodeB是E?UTRAN惟一节点，它集合了3G系统中节点Node B和RNC节点的无线资源管理的全部功能。eNodeB与核心网EPC通过S1接口连接，S1接口提供访问无线接入网的无线资源；eNodeB节点之间采用X2接口互相连接，可以实现多对多的连接关系。该接入网络结构降低了控制平面和用户平面的时延，使无线接入终端从驻留状态转换到激活状态的时延在100 ms以内，数据传输时延在10 ms以内，完全能够满足智能家居系统的响应时间和数据传送时间。

图1 TD?LTE网络结构
TD?LTE 采用MIMO 关键技术，基站采用相同的时频域资源与多个用户同时通信，利用多天线提供的空间自由度分离用户，可以通过复用有效地提高小区平均吞吐量和系统容量。
TD?LTE中传输技术采用OFDM调制技术，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流， 调制到每个子信道上进行传输，并通过层二调度器对无线资源进行动态调度。使得无线信道的使用更灵活、更有效率，特别适用于物联网业务这样的小数据包、高频次、常在线业务。同时通过采用循环前缀CP（Cyclic Prefix）技术，增强系统的抗多径能力和覆盖能力。
LTE的峰值数据速率为上行50 Mb/s，下行100 Mb/s。如此高的传输速率，能够传送图像质量更好的视频流，提供更为丰富的多媒体服务。
LTE网络接入网和核心网都设有安全保护：接入网由eNodeB和UE 提供无线资源控制信令完整性保护和机密性保护；核心网由MME和UE 执行NAS 信令的加密和完整性保护。以此来保证网络的安全性。
3.2 基于TD?LTE的智能家居系统结构
通过上节的分析，可以看出TD?LTE技术能够更好地满足、适应智能家居系统对于网络的需求，是承载智能家居系统的很好选择，其网络结构图如图2所示。在具体的应用方案设计方面，为了承载智能家居业务，需要从家庭网关、接入网（E?UTRAN）、核心网（EPC）三个层次讨论应用方案。
3.2.1 家庭网关
家庭网关是智能家居系统内部网络的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享、同外部通信网络之间的数据交换，网关一般还同时负责家庭智能设备的管理和控制。由于内部网络通过蓝牙、Wi?Fi、ZigBee等不同的通信方式组网，需要由家庭网关通过特定的通信协议接入TD?LTE网络中，同时借助相应的外部扩展模块实现智能家居系统的控制和管理。家庭网关可以将采集的物联网信息通过相应的接口上传到EUTRAN。由于TD?LTE支持上行峰值速率达50 Mb/s，所以在物联网发展初期，TD?LTE无线网完全可以满足其业务需求。家庭网关可以通过多种家电设备来实现，如网络冰箱、网络空调等，随着嵌入式CPU处理器运算速度的提升和存储容量的扩大，嵌入式系统成为家庭网关技术最主要的应用技术。
3.2.2 接入网
E?UTRAN接入网主要由演进型eNodeB构成，eNodeB在NodeB原有功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和inter?cell RRM等功能。这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用这种结构将对3GPP系统的体系架构产生深远的影响。

图2 网络结构图
3.2.3 核心网
核心网主要由移动性管理实体（MME）、服务网关（S?GW）、PDN网关（P?GW）、用于存储用户签约信息的归属用户服务器（HSS）等组成。核心网是一个提供全IP连接的承载网络，对所有的基于IP的业务都是开放的，能提供所有基于IP业务的能力集。
MME提供UE和LTE核心网络的信令交互；S?GW 与P?GW实现会话管理、路由选择和数据转发、QoS控制、计费以及存储信息等功能；为智能终端与应用平台、管理平台之间提供通道；HSS用于存储用户签约信息，例如智能终端的标识、编号和安全信息等。
3.3 基于LTE网络存在的问题
对于H2H通信方面，LTE网络已经投入使用，但是随着物联网的发展，LTE网络仍然存在一些问题。
（1） 由于LTE技术刚刚兴起，网络的建设目前以城市及热点区域为主，然后逐步向县城和乡镇区域发展。由于农村和偏远地区公众用户对高速率数据需求不明显，同时，目前TDD可用的频率主要集中在2 GHz，广域覆盖能力相对较弱，实现连续覆盖需要大量基站；因此LTE在各地区的覆盖区域有很大的差异， 要实现随时随地的实施业务还需要一定的距离。
（2） 现阶段物联网处于发展初期，智能终端的数量较少，现有移动通信网络的能力完全可以满足通信需求。但是，随着物联网行业的发展，智能终端的数量会急剧增加，据预测，到2020年M2M与现有H2H通信互联比例将达到30[∶]1，即可能从60亿人口扩展到500亿乃至上万亿的MTC[4]，当如此庞大数量的智能终端以无线方式连接时，目前通信网络的带宽是绝对无法承载的。


（3） 当大量的智能终端集中在某个区域以及某个时刻接入时，会造成网络容量负荷和信令风暴，这也是未来LTE网络所面临的问题。
4 结 语
尽管智能家居已经发展了将近10年，但真正的物联网智能家居是近几年随着无线通信技术的不断成熟才开始发展起来的，从有线到无线这是一个伟大的变革。TD?LTE网络融合各种无线接入、与互联网无缝连接及其高吞吐量、QoS保障，必将智能家居的发展带到一个新的高度。尽管LTE系统建设处于初级阶段，在成本、标准和规模方面还有待完善，但是随着技术的成熟及人们需求的增加，LTE必定为人们提供一种完美的通信方式。
参考文献
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更新时间：2024/12/23 3:30:56