毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)社會(huì)

　　2011年在巴塞羅那的全球移動(dòng)通信大會(huì)上，愛立信開創(chuàng)性的提出萬物互聯(lián)的“網(wǎng)絡(luò)社會(huì) (Networked Society)”概念，同時(shí)作出大膽預(yù)測(cè)，到2020年全球?qū)?huì)有超過500億個(gè)的終端通過網(wǎng)絡(luò)互相連接。“網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”是一種可持續(xù)的社會(huì)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(dòng)和云是“網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”的三大驅(qū)動(dòng)力量。在愛立信看來，“網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”將深刻改變?nèi)祟悺⑸虡I(yè)和社會(huì)的未來。

　　如今網(wǎng)絡(luò)社會(huì)已經(jīng)在各處顯現(xiàn)，比如遠(yuǎn)程監(jiān)控森林或者農(nóng)場(chǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)倪B接、學(xué)校之間通過寬帶互聯(lián)等等。個(gè)人和商業(yè)都越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)連接性來完成他們的任務(wù)。

　　毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)概念

　　為了介紹設(shè)備互相連接的狀態(tài)，我們引入了毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)(Capillary Network)的概念2。類似于傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)的毛細(xì)血管，這里我們提到的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)，它使用短程無線接入通信技術(shù)，為本地多個(gè)設(shè)備提供設(shè)備互聯(lián)互通和網(wǎng)絡(luò)接入的能力。通過利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主要功能，也就是網(wǎng)絡(luò)的無處不在，以及集成安全性、網(wǎng)絡(luò)管理和先進(jìn)的回傳連接，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)將成為推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)社會(huì)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

　　毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)使用短距離無線技術(shù)來提供本地連接性，然后通過毛細(xì)管網(wǎng)關(guān)連通到全球通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)以一種智能的方式連接數(shù)十億的事物和需要連接的設(shè)備，同時(shí)，也需要一些新的功能來發(fā)揮其作用。

　　那么，究竟毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)可以支持什么樣的應(yīng)用場(chǎng)景呢?例如，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)可以連接一組建筑物中的傳感器，提供相關(guān)信息給房產(chǎn)管理部門;或者毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)可以將運(yùn)輸途中的貨物連接到監(jiān)控應(yīng)用程序。

　　無論何種應(yīng)用，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)工作方式完全不同于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，當(dāng)前的通信系統(tǒng)主要用于人和系統(tǒng)去進(jìn)行通信。機(jī)器類型的通信(MTC)應(yīng)用場(chǎng)景隨著應(yīng)用變化很大，而不像當(dāng)前通信系統(tǒng)是靠一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)去滿足所有設(shè)備的通信需求，因此毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，必須滿足基于不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

　　例如，對(duì)于靠電池供電的設(shè)備，保持通信量最小是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣設(shè)備可以睡眠盡量久的時(shí)間。機(jī)器類型的通信通常對(duì)數(shù)據(jù)速率的需求是很低的，比如那些每天或者每小時(shí)上報(bào)小數(shù)據(jù)量的設(shè)備。并且，需要連接的設(shè)備數(shù)量可能有幾十億之多，要求連接的成本要非常低。

　　個(gè)人和企業(yè)正越來越多地依賴于數(shù)字平臺(tái)。計(jì)算和通信正在蔓延到生活的每一個(gè)方面，提供了一種管理和運(yùn)營資產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施和更有效處理商業(yè)流程的方式。信息和通信技術(shù)(ICT)的廣泛覆蓋正是網(wǎng)絡(luò)社會(huì)的核心，在網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中，只要連接性能提供額外的價(jià)值，那么這些事物就會(huì)被連接起來。

　　無處不在的連接和網(wǎng)絡(luò)社會(huì)

　　網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中的連接的意義在于提高效率，利用現(xiàn)有資源可以做成更多的事情，可以為更多的人提供服務(wù)，減少額外的基礎(chǔ)設(shè)施，并開發(fā)新的服務(wù)類型以超越傳統(tǒng)的人際互動(dòng)方式。例如，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)牲畜和農(nóng)作物的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以便自動(dòng)控制灌溉、 施肥、投飼和水質(zhì)水平， 這確保了農(nóng)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(tǒng)中，病人和老人能夠通過遠(yuǎn)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(wù)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(zhuǎn)變，其中也包括人。世界正在走向機(jī)器類型的通信(MTC)，智能設(shè)備都將被連接，一定程度上顯示出機(jī)器間通信(M2M)和 物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的爆炸式增長。

　　然而，物物之間的通信，和當(dāng)前的通信方式完全不同，當(dāng)前的系統(tǒng)主要還是為人與人之間彼此通信而設(shè)計(jì)。在物物通信的場(chǎng)景里面，有時(shí)候需要由電池來給設(shè)備供電，因此低能耗就很關(guān)鍵。對(duì)于大規(guī)模部署，設(shè)備的架構(gòu)是必不可少的。典型地，小設(shè)備的數(shù)據(jù)速率需求是比較低的。當(dāng)涉及到數(shù)十億的設(shè)備需要連接時(shí)，連接的成本需要做到很低。所有這些需求，都將是機(jī)器類型通信的一個(gè)先決條件。

　　為了滿足這些新的業(yè)務(wù)需求，傳統(tǒng)的蜂窩通信技術(shù)必須得到加強(qiáng)。例如，在LTE的R12里面就引入了節(jié)電模式，使用該技術(shù)，那些需要每小時(shí)周期性的發(fā)送報(bào)告的傳感器在兩節(jié)AA電池的支撐下可以運(yùn)行 10年以上，同時(shí)，因?yàn)樾帕盍鞒痰暮喕?，設(shè)備可以工作更長時(shí)間。在3GPP的Release 12中還引入了一個(gè)新的LTE設(shè)備類別，使得 LTE調(diào)制解調(diào)器連接的設(shè)備具有較低的復(fù)雜度和更低的成本。此外，3GPP正致力于將LTE的網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升15-20dB，這將有助于網(wǎng)絡(luò)覆蓋到那些比較有挑戰(zhàn)的位置，比如地下室。

　　毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和短程通信技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)社會(huì)的一個(gè)重要的開發(fā)領(lǐng)域，在將來需要提供給各種場(chǎng)景下幾十億設(shè)備的連接性上，將會(huì)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這些技術(shù)包括低功耗的藍(lán)牙技術(shù)、IEEE802.15.4、IEEE 802.11ah。

　　接下來我們簡單介紹一下毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的連接性管理，QoS管理以及安全方面的考慮。

　　毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　短距離無線技術(shù)使得為一個(gè)本地區(qū)域內(nèi)的多個(gè)設(shè)備提供連接性成為可能。典型情況下，本地的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)需要連接到基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)上，比如有些服務(wù)需要連接到因特網(wǎng)或者云服務(wù)中。把毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)連接到全球基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)上，可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，它可以是一個(gè)廣域的網(wǎng)絡(luò)或者局部的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)之間，可以使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)橋接，而毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)本來看上去就像是一個(gè)用戶設(shè)備。下圖1是上述想法的架構(gòu)圖。主要有三部分組成：毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)連接域，蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接域以及數(shù)據(jù)域。毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)加上蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連接能力。數(shù)據(jù)域主要展示的是針對(duì)特定業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)處理能力在網(wǎng)絡(luò)的分布。從安全性的角度，這三層領(lǐng)域是相互獨(dú)立的。通過不同領(lǐng)域的安全性的配合，可以實(shí)現(xiàn)整體端到端的安全性需要。

　　圖1:毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

　　跟傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)一樣，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)也需要一個(gè)回傳連接，通常這是通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)大范圍的覆蓋可以輕松的實(shí)現(xiàn)回傳網(wǎng)絡(luò)的連接，而不需要安裝額外的回傳設(shè)備。毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)本身可能也在移動(dòng)中，比如在交通設(shè)備上監(jiān)視貨物的狀態(tài)，在這種情況下，自然會(huì)使用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)來做回傳。

　　在大范圍的部署場(chǎng)景中，一些設(shè)備可能會(huì)通過毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)來接入到網(wǎng)絡(luò)中，也有一些設(shè)備會(huì)直接連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)部署一個(gè)毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)時(shí)，服務(wù)提供商需要安裝一些毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)來滿足本地接入的需求。

　　網(wǎng)關(guān)的選擇

　　在網(wǎng)關(guān)的選擇上，需要考慮三個(gè)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(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間動(dòng)態(tài)的無線連接性，設(shè)備通常是通過偵聽的方式從網(wǎng)關(guān)獲取連接信息;在毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)中，也有一些短距通信技術(shù)可以讓網(wǎng)關(guān)來檢測(cè)到來自設(shè)備的連接性請(qǐng)求。

　　限制條件指的是網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)中的一些靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的狀態(tài)屬性，比如電量水平、負(fù)荷水平如設(shè)備連接的數(shù)量、對(duì)質(zhì)量QoS的支持、使用的成本因素以及休眠調(diào)度等。網(wǎng)關(guān)連接的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)和鏈路質(zhì)量，也是考量的因素。當(dāng)然，設(shè)備本身的情況，比如設(shè)備類型、電池電量、QoS需求以及來自毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度等，都是需要考慮的。

　　策略是對(duì)網(wǎng)關(guān)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(jí)。

　　圖2:毛細(xì)管網(wǎng)關(guān)選擇

　　QoS管理

　　對(duì)于機(jī)器類型通信(MTC)的QoS要求在帶寬，時(shí)延和抖動(dòng)等方面和傳統(tǒng)通信系統(tǒng)不同。對(duì)MTC的要求經(jīng)常是需要的最小吞吐量以及保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，一些情況下，甚至對(duì)極低的時(shí)延有很嚴(yán)格的限制要求。

　　例如，一個(gè)傳感器應(yīng)該能夠?qū)z測(cè)到異常事件的情況下，即使網(wǎng)絡(luò)擁塞，也能夠在指定時(shí)間內(nèi)，可靠地傳送報(bào)警信息。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要較低的時(shí)延來支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制的功能，而通常這類場(chǎng)景對(duì)帶寬的需求并不高。也就是說，對(duì)于機(jī)器類型的通信，QoS的要求在服務(wù)和服務(wù)之間變化很大。

　　這里我們講的QoS，是一個(gè)端到端的概念，在毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，QoS就需要從短距離通信網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)都要考慮。不同的短距離通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)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(lán)牙技術(shù))。由于短距離通信技術(shù)是在不需要授權(quán)的頻譜內(nèi)工作，外界的干擾水平是不太確定的，這就會(huì)限制可以被保證的QoS等級(jí)。同時(shí)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的QoS方法所提供的連接性，已經(jīng)非常成熟，可以將業(yè)務(wù)區(qū)分并提供特定的業(yè)務(wù)處理能力。

　　如上面提到的，為了提供端到端的QoS，需要將毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)QoS能力橋接起來，這就需要定義一個(gè)業(yè)務(wù)如何從一個(gè)域被映射到另一個(gè)域的QoS等級(jí)。 QoS的橋接需要在毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間、或者在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供商和網(wǎng)絡(luò)連接供應(yīng)商之間的服務(wù)協(xié)議來定義。

　　連接設(shè)備的安全性

　　毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，有可能在尺寸、計(jì)算能力、功耗和能源等方面有較大差異。這種差異使得實(shí)施和部署安全措施變得十分挑戰(zhàn)。在毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器類型通信的場(chǎng)景下，通常沒有一個(gè)通用的模型，因?yàn)槊?xì)管網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通常有很多限制，所以很難用一個(gè)通用的安全解決方案來解決。有些限制比較多的設(shè)備，可能不具備實(shí)現(xiàn)的條件。所以針對(duì)特定的場(chǎng)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(xì)管網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)

　　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(yán)格的安全要求的。不同的場(chǎng)景安全失敗導(dǎo)致的后果也很不一樣。所以需針對(duì)特定的場(chǎng)景來評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，并制定安全性的解決方案。安全性的解決方案反過來也會(huì)影響設(shè)備硬件的選擇，因?yàn)樗枰布邆鋵?shí)施安全性方案的能力。

　　對(duì)于在授權(quán)的端到端設(shè)備之間的業(yè)務(wù)保護(hù)，廣泛使用的一些安全機(jī)制比如TLS會(huì)提高終端或者業(yè)務(wù)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(gè)方面：

　　1. 設(shè)備識(shí)別：新接入的設(shè)備通常具有設(shè)備身份ID和一些證明身份的信息，比如密鑰。3GPP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)提供了一種方法，通過一種通用引導(dǎo)架構(gòu) (generic bootstrapping architecture, GBA) 的方法，可在SIM卡上存儲(chǔ)用戶身份和加密信息。

　　2. 安全域：毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)安全域，即毛細(xì)管終端域和毛細(xì)管網(wǎng)關(guān)域。終端域又可以分為連接安全域和數(shù)據(jù)安全域。如上圖3所示。

　　3. 引導(dǎo)：設(shè)備開機(jī)或者喚醒時(shí)，需要判斷從哪個(gè)毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)可以提供有效安全的連接。通過使用引導(dǎo)服務(wù)器，將毛細(xì)管終端引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)服務(wù)上并進(jìn)行自動(dòng)配合，是其中的方法之一。

　　網(wǎng)絡(luò)管理

　　對(duì)于連接到毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，其自動(dòng)配置和連接性管理等一系列任務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)管理功能來支撐。除此之外，網(wǎng)絡(luò)管理需要建立接入控制限制和數(shù)據(jù)處理規(guī)則，以滿足基于服務(wù)協(xié)議SLA的QoS規(guī)則;服務(wù)提供商可以使用網(wǎng)絡(luò)管理功能來適配服務(wù)策略以及增加或者移除設(shè)備。

　　對(duì)于一些使用電池供電的設(shè)備，其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(duì)于那些經(jīng)常處于休眠狀態(tài)的設(shè)備，不能要求網(wǎng)絡(luò)管理提供實(shí)時(shí)的結(jié)果反饋，因?yàn)橹挥性O(shè)備喚醒之后才能做到這點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò)管理的巨大挑戰(zhàn)還是來源于端到端的管理，特別是網(wǎng)絡(luò)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(shí)體來提供的。那些對(duì)于連接的管理，就可能需要額外的工作和成本來實(shí)現(xiàn)。為了客服這些限制，就需要實(shí)現(xiàn)不同域之間網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，這樣沿著通信通道的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息都能匯集和利用起來。

　　總結(jié)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)社會(huì)逐步成型，各種不同的設(shè)備和系統(tǒng)會(huì)被相互連接起來，從而形成我們所說的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)。在這框架下，蜂窩網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)在提供連接性方面發(fā)揮顯著作用，一些設(shè)備將會(huì)直接連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，而另一些設(shè)備會(huì)使用短距離通信技術(shù)并通過毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)里面來。蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以提供包括室內(nèi)和室外的整體連接性。

　　由于連接了大量的終端實(shí)體，網(wǎng)絡(luò)管理和自動(dòng)網(wǎng)關(guān)選擇對(duì)于在毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)中提供可靠的連接是至關(guān)重要的。為了確保通信是安全和可靠的，需要在毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行安全的銜接。通過這些功能，未來的網(wǎng)絡(luò)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?cè)谀睦铮蚴侨绾伪贿B接的。