毛細管網絡構建網絡社會

　　2011年在巴塞羅那的全球移動通信大會上，愛立信開創(chuàng)性的提出萬物互聯的“網絡社會 (Networked Society)”概念，同時作出大膽預測，到2020年全球將會有超過500億個的終端通過網絡互相連接。“網絡社會”是一種可持續(xù)的社會發(fā)展形態(tài)，“所有可以獲益于連接的事物均將連接起來”。寬帶、移動和云是“網絡社會”的三大驅動力量。在愛立信看來，“網絡社會”將深刻改變人類、商業(yè)和社會的未來。

　　如今網絡社會已經在各處顯現，比如遠程監(jiān)控森林或者農場、車聯網、遠洋運輸的連接、學校之間通過寬帶互聯等等。個人和商業(yè)都越來越依賴于網絡連接性來完成他們的任務。

　　毛細管網絡概念

　　為了介紹設備互相連接的狀態(tài)，我們引入了毛細管網絡(Capillary Network)的概念2。類似于傳統生物醫(yī)學的毛細血管，這里我們提到的毛細管網絡是一個本地網絡，它使用短程無線接入通信技術，為本地多個設備提供設備互聯互通和網絡接入的能力。通過利用蜂窩網絡的主要功能，也就是網絡的無處不在，以及集成安全性、網絡管理和先進的回傳連接，毛細管網絡將成為推動網絡社會的一個至關重要的環(huán)節(jié)。

　　毛細管網絡使用短距離無線技術來提供本地連接性，然后通過毛細管網關連通到全球通信基礎網絡架構中。毛細管網絡以一種智能的方式連接數十億的事物和需要連接的設備，同時，也需要一些新的功能來發(fā)揮其作用。

　　那么，究竟毛細管網絡可以支持什么樣的應用場景呢?例如，毛細管網絡可以連接一組建筑物中的傳感器，提供相關信息給房產管理部門;或者毛細管網絡可以將運輸途中的貨物連接到監(jiān)控應用程序。

　　無論何種應用，毛細管網絡工作方式完全不同于現有的通信系統，當前的通信系統主要用于人和系統去進行通信。機器類型的通信(MTC)應用場景隨著應用變化很大，而不像當前通信系統是靠一個單一的標準去滿足所有設備的通信需求，因此毛細管網絡的設計，必須滿足基于不同應用場景的需求。

　　例如，對于靠電池供電的設備，保持通信量最小是一個關鍵的設計參數，這樣設備可以睡眠盡量久的時間。機器類型的通信通常對數據速率的需求是很低的，比如那些每天或者每小時上報小數據量的設備。并且，需要連接的設備數量可能有幾十億之多，要求連接的成本要非常低。

　　個人和企業(yè)正越來越多地依賴于數字平臺。計算和通信正在蔓延到生活的每一個方面，提供了一種管理和運營資產、基礎設施和更有效處理商業(yè)流程的方式。信息和通信技術(ICT)的廣泛覆蓋正是網絡社會的核心，在網絡社會中，只要連接性能提供額外的價值，那么這些事物就會被連接起來。

　　無處不在的連接和網絡社會

　　網絡社會中的連接的意義在于提高效率，利用現有資源可以做成更多的事情，可以為更多的人提供服務，減少額外的基礎設施，并開發(fā)新的服務類型以超越傳統的人際互動方式。例如，智能農業(yè)系統可以監(jiān)測牲畜和農作物的實時狀態(tài)，以便自動控制灌溉、 施肥、投飼和水質水平， 這確保了農作物和牲畜保持健康和資源的合理使用。在智能醫(yī)療系統中，病人和老人能夠通過遠程監(jiān)控得到幫助，再一次用智能的方式來利用資源，提高了醫(yī)療健康服務的可用性，減少了親自訪問診所和旅途的必要性。

　　從整體上來說，通信逐步從以人為中心向以物為中心轉變，其中也包括人。世界正在走向機器類型的通信(MTC)，智能設備都將被連接，一定程度上顯示出機器間通信(M2M)和 物聯網(IOT)的爆炸式增長。

　　然而，物物之間的通信，和當前的通信方式完全不同，當前的系統主要還是為人與人之間彼此通信而設計。在物物通信的場景里面，有時候需要由電池來給設備供電，因此低能耗就很關鍵。對于大規(guī)模部署，設備的架構是必不可少的。典型地，小設備的數據速率需求是比較低的。當涉及到數十億的設備需要連接時，連接的成本需要做到很低。所有這些需求，都將是機器類型通信的一個先決條件。

　　為了滿足這些新的業(yè)務需求，傳統的蜂窩通信技術必須得到加強。例如，在LTE的R12里面就引入了節(jié)電模式，使用該技術，那些需要每小時周期性的發(fā)送報告的傳感器在兩節(jié)AA電池的支撐下可以運行 10年以上，同時，因為信令流程的簡化，設備可以工作更長時間。在3GPP的Release 12中還引入了一個新的LTE設備類別，使得 LTE調制解調器連接的設備具有較低的復雜度和更低的成本。此外，3GPP正致力于將LTE的網絡覆蓋提升15-20dB，這將有助于網絡覆蓋到那些比較有挑戰(zhàn)的位置，比如地下室。

　　毛細管網絡和短程通信技術是網絡社會的一個重要的開發(fā)領域，在將來需要提供給各種場景下幾十億設備的連接性上，將會發(fā)揮至關重要的作用，這些技術包括低功耗的藍牙技術、IEEE802.15.4、IEEE 802.11ah。

　　接下來我們簡單介紹一下毛細管網絡的連接性管理，QoS管理以及安全方面的考慮。

　　毛細管網絡架構

　　短距離無線技術使得為一個本地區(qū)域內的多個設備提供連接性成為可能。典型情況下，本地的毛細管網絡需要連接到基礎通信網絡上，比如有些服務需要連接到因特網或者云服務中。把毛細管網絡連接到全球基礎通信網絡上，可以通過蜂窩網絡來實現，它可以是一個廣域的網絡或者局部的蜂窩網絡接入。在蜂窩網絡和毛細管網絡之間，可以使用網關設備來實現橋接，而毛細管網絡本來看上去就像是一個用戶設備。下圖1是上述想法的架構圖。主要有三部分組成：毛細管網絡連接域，蜂窩網絡連接域以及數據域。毛細管網絡加上蜂窩網絡提供這兩個網絡中節(jié)點的連接能力。數據域主要展示的是針對特定業(yè)務的數據處理能力在網絡的分布。從安全性的角度，這三層領域是相互獨立的。通過不同領域的安全性的配合，可以實現整體端到端的安全性需要。

　　圖1:毛細管網絡架構圖

　　跟傳統電信網絡一樣，毛細管網絡也需要一個回傳連接，通常這是通過蜂窩網絡來實現。蜂窩網絡大范圍的覆蓋可以輕松的實現回傳網絡的連接，而不需要安裝額外的回傳設備。毛細管網絡本身可能也在移動中，比如在交通設備上監(jiān)視貨物的狀態(tài)，在這種情況下，自然會使用移動蜂窩網絡來做回傳。

　　在大范圍的部署場景中，一些設備可能會通過毛細管網絡網關來接入到網絡中，也有一些設備會直接連接到蜂窩網絡上。當部署一個毛細管網絡時，服務提供商需要安裝一些毛細管網絡網關來滿足本地接入的需求。

　　網關的選擇

　　在網關的選擇上，需要考慮三個層面的信息：連接性、限制條件和策略，如下圖2所示。

　　連接性指的是設備和網關之間動態(tài)的無線連接性，設備通常是通過偵聽的方式從網關獲取連接信息;在毛細管網絡中，也有一些短距通信技術可以讓網關來檢測到來自設備的連接性請求。

　　限制條件指的是網絡和網關中的一些靜態(tài)或者動態(tài)的狀態(tài)屬性，比如電量水平、負荷水平如設備連接的數量、對質量QoS的支持、使用的成本因素以及休眠調度等。網關連接的蜂窩網絡的連接狀態(tài)和鏈路質量，也是考量的因素。當然，設備本身的情況，比如設備類型、電池電量、QoS需求以及來自毛細管網絡的信號強度等，都是需要考慮的。

　　策略是對網關選擇目的的考慮。策略方面需要考慮眾多因素來決定限制因素的優(yōu)先級。

　　圖2:毛細管網關選擇

　　QoS管理

　　對于機器類型通信(MTC)的QoS要求在帶寬，時延和抖動等方面和傳統通信系統不同。對MTC的要求經常是需要的最小吞吐量以及保證網絡的連通性，一些情況下，甚至對極低的時延有很嚴格的限制要求。

　　例如，一個傳感器應該能夠對檢測到異常事件的情況下，即使網絡擁塞，也能夠在指定時間內，可靠地傳送報警信息。為了實現這一目標，需要較低的時延來支持實時監(jiān)測控制的功能，而通常這類場景對帶寬的需求并不高。也就是說，對于機器類型的通信，QoS的要求在服務和服務之間變化很大。

　　這里我們講的QoS，是一個端到端的概念，在毛細管網絡場景下，QoS就需要從短距離通信網絡和蜂窩網絡都要考慮。不同的短距離通信網絡會提供不同的QoS管理方法，總體上可以分為兩種：優(yōu)先分組傳輸(例如802.11)和帶寬保留方案(例如802.15.4和低功耗藍牙技術)。由于短距離通信技術是在不需要授權的頻譜內工作，外界的干擾水平是不太確定的，這就會限制可以被保證的QoS等級。同時，蜂窩網絡的QoS方法所提供的連接性，已經非常成熟，可以將業(yè)務區(qū)分并提供特定的業(yè)務處理能力。

　　如上面提到的，為了提供端到端的QoS，需要將毛細管網絡和蜂窩網絡QoS能力橋接起來，這就需要定義一個業(yè)務如何從一個域被映射到另一個域的QoS等級。 QoS的橋接需要在毛細管網絡和蜂窩網絡之間、或者在數據業(yè)務提供商和網絡連接供應商之間的服務協議來定義。

　　連接設備的安全性

　　毛細管網絡中的設備，有可能在尺寸、計算能力、功耗和能源等方面有較大差異。這種差異使得實施和部署安全措施變得十分挑戰(zhàn)。在毛細管網絡和機器類型通信的場景下，通常沒有一個通用的模型，因為毛細管網絡中的設備通常有很多限制，所以很難用一個通用的安全解決方案來解決。有些限制比較多的設備，可能不具備實現的條件。所以針對特定的場景，需要定制特定的安全性解決方案。如下圖3所示：

　　圖3:毛細管網絡安全架構

　　例如，安裝在家庭的溫度傳感器是不太可能具有發(fā)電廠的傳感器相同嚴格的安全要求的。不同的場景安全失敗導致的后果也很不一樣。所以需針對特定的場景來評估風險，并制定安全性的解決方案。安全性的解決方案反過來也會影響設備硬件的選擇，因為它需要硬件具備實施安全性方案的能力。

　　對于在授權的端到端設備之間的業(yè)務保護，廣泛使用的一些安全機制比如TLS會提高終端或者業(yè)務之間的互操作性。在某些情況下，可能有必要部署更優(yōu)的安全解決方案。安全性的解決方案主要考慮幾個方面：

　　1. 設備識別：新接入的設備通常具有設備身份ID和一些證明身份的信息，比如密鑰。3GPP網絡標準提供了一種方法，通過一種通用引導架構 (generic bootstrapping architecture, GBA) 的方法，可在SIM卡上存儲用戶身份和加密信息。

　　2. 安全域：毛細管網絡包含兩個安全域，即毛細管終端域和毛細管網關域。終端域又可以分為連接安全域和數據安全域。如上圖3所示。

　　3. 引導：設備開機或者喚醒時，需要判斷從哪個毛細管網絡可以提供有效安全的連接。通過使用引導服務器，將毛細管終端引導到對應服務上并進行自動配合，是其中的方法之一。

　　網絡管理

　　對于連接到毛細管網絡的終端設備，其自動配置和連接性管理等一系列任務，需要網絡管理功能來支撐。除此之外，網絡管理需要建立接入控制限制和數據處理規(guī)則，以滿足基于服務協議SLA的QoS規(guī)則;服務提供商可以使用網絡管理功能來適配服務策略以及增加或者移除設備。

　　對于一些使用電池供電的設備，其對應的網絡管理操作，也必須是能耗上做優(yōu)化，以減少電池電量的影響。而對于那些經常處于休眠狀態(tài)的設備，不能要求網絡管理提供實時的結果反饋，因為只有設備喚醒之后才能做到這點。

　　網絡管理的巨大挑戰(zhàn)還是來源于端到端的管理，特別是網絡有不同域的連接而成，甚至于這些不同的域可能是由不同的商業(yè)實體來提供的。那些對于連接的管理，就可能需要額外的工作和成本來實現。為了客服這些限制，就需要實現不同域之間網絡管理系統的互聯互通，這樣沿著通信通道的各個節(jié)點的信息都能匯集和利用起來。

　　總結

　　隨著網絡社會逐步成型，各種不同的設備和系統會被相互連接起來，從而形成我們所說的物聯網(IOT)。在這框架下，蜂窩網絡將繼續(xù)在提供連接性方面發(fā)揮顯著作用，一些設備將會直接連接到蜂窩網絡中，而另一些設備會使用短距離通信技術并通過毛細管網絡連接到蜂窩網絡里面來。蜂窩網絡連接毛細管網絡和網關設備，可以提供包括室內和室外的整體連接性。

　　由于連接了大量的終端實體，網絡管理和自動網關選擇對于在毛細管網絡中提供可靠的連接是至關重要的。為了確保通信是安全和可靠的，需要在毛細管網絡和蜂窩網絡之間進行安全的銜接。通過這些功能，未來的網絡將可以為所有的連接事物提供優(yōu)化的連接方式，無論他們在哪里，或是如何被連接的。